Экситонная рекомбинация

В полупроводниках с непрямыми переходами излучательный механизм может давать существенный вклад в полную рекомбинацию при высоком значении времени жизни возбужденных электронов и дырок, достаточном для их связывания силами кулоновского взаимодействия. Возбуждённый комплекс, состоящий из электронно-дырочной пары, называется свободным экситоном и может свободно перемещаться в кристалле как одно целое. В случае, если составляющие экситон электрон и дырка локализованы на примесном центре образуется связанный экситон. Например, в светодиодах GaP при комнатной температуре наиболее интенсивно излучение экситонов, связанных на примеси азота N (зелёная полоса с максимумом вблизи 2,2 эВ) или на паре примесных атомов цинк-кислород Zn-O (красная полоса с максимумом вблизи 1,77 эВ). Энергия максимума излучения при экситонной люминесценции (переход 2 на рисунке 2) меньше ширины запрещённой зоны на энергию связи экситона Е_ex, которая обычно составляет несколько мэВ:

hn_max = E_g – Е_ех

Экситонная люминесценция может наблюдаться лишь при температурах, ограниченных условием к₀Т < Е_ex, и в достаточно чистых кристаллах. С повышением температуры наблюдается гашение люминесценции из-за термической диссоциации экситонов. В сильно легированных материалах образование экситонов затруднено эффектами экранирования при высоких концентрациях свободных носителей, а также макроскопическими флуктуациями потенциала, связанными с неоднородностью легирования. В сильно дефектных полупроводниковых материалах экситоны не образуются вследствие быстрой релаксации возбужденного состояния по безызлучательным каналам.

Примесная рекомбинация

В полупроводниках излучательная рекомбинация в большин­стве случаев идет с участием примесей. Это так называемая примесная рекомбинация (переходы 3,4 на рисунке 2). В процессе рекомбинации через мелкие примесные центры энергии, выделяемые при захвате электрона на акцепторный уровень и дырки на донорный, так­же близки к E_g. Положение максимума такой полосы определяется энергетическим положением примесного центра Е_D,A:

hn_max = E_g - Е_D,A

Если в рекомбинации участвуют примесные центры с энергетическими уровнями, близкими к границам зон, то примесное излучение вместе с собственным образуют достаточно широкую полосу так называемого краевого излучения [3].