Статистика регистрации оптического излучения

В полупроводниках может быть или избыток носителей-электронов (материал n-типа), или избыток носителей-«дырок» (материал p-типа), где «дырка» — это отсутствие электрона в разрешенной энергетической области. Электроны в полупроводниках имеют разрешенные энергетические уровни, расположенные близко один к другому, и образуют разрешенную зону. Низкоэнергетические зоны заполняются первыми, и в результате только высокоэнергетические ненаселенные зоны определяют электрические свойства полупроводника. В этом отношении наиболее важны две энергетические зоны — валентная зона и зона проводимости, между которыми располагается запрещенная энергетическая область, или просто запрещенная зона Ед. Валентная зона представляет собой наиболее высокоэнергетическую зону внутри материала, в которой электроны еще находятся в связанном состоянии. Зона проводимости — это наиболее низкоэнергетическая зона, в которой электроны могут свободно перемещаться внутри кристаллической решетки полупроводника. Полупроводники, в которых максимуму валентной зоны и минимуму зоны проводимости соответствует одно и то же значение импульса электрона или волнового вектора к, называются прямозонными. Арсенид галлия является примером прямозонного полупроводника. В непрямозонных полупроводниках максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости находятся при различных значениях к. Кремний — непрямозонный полупроводник. Если полупроводниковый материал не содержит примесей и не имеет дефектов кристаллической решетки — это собственный, или чистый полупроводник. При низких температурах в таких материалах валентная зона заполнена и зона проводимости пуста. Ширина запрещенной зоны в таких материалах часто мала (~ 1 эВ), так что термическое возбуждение электронов при повышении температуры обеспечивает достаточно энергии для перехода некоторых электронов в зону проводимости. В результате перехода электронов в валентной зоне остаются положительно заряженные «дырки». Если приложить электрическое поле, то может потечь ток.

В собственных полупроводниках при постоянной температуре концентрация носителей неизменна. Хотя носители возникают при термическом возбуждении в результате генерации электронно-дырочных пар, они также разрушаются в результате электронно-дырочных рекомбинаций. Это происходит, когда электрон из зоны проводимости совершает переход в дырку незаполненного состояния валентной зоны. При этом высвобождается некоторое количество энергии, примерно равное Ед, в виде света (излучение фотона) или колебания кристаллической решетки (порождение фонона). Пример спонтанного излучения фотона показан на рисунке.

Чтобы вычислить количество рекомбинаций в полупроводнике, необходимо знать как распределение энергетических состояний в данной зоне.