Электролюминесценцией называют излучение света полупроводником при прохождении через него электрического тока или при приложении внешнего электрического поля. В отличие от фотолюминесценции, где возбуждение осуществляется за счёт поглощения фотонов, здесь основным источником энергии выступает электрическая энергия, преобразуемая в энергию излучаемого фотона.
Электролюминесценция основана на процессах рекомбинации носителей заряда — электронов и дырок. Когда электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону, он теряет избыток энергии. Если эта энергия рассеивается в виде тепла, то происходит безызлучательная рекомбинация. Если же энергия испускается в виде фотона, возникает излучательная рекомбинация, формирующая электролюминесцентный эффект.
1. Инжекционная электролюминесценция. Возникает при инжекции электронов и дырок через p-n переход. При прямом смещении через переход вводятся неравновесные носители заряда, которые рекомбинируют в области пространственного заряда, испуская фотоны. Данный механизм лежит в основе работы светодиодов и полупроводниковых лазеров.
2. Импактная электролюминесценция. В этом случае быстрые электроны, ускоренные сильным электрическим полем, возбуждают атомы или ионы решётки, а их последующая релаксация сопровождается излучением фотонов. Этот механизм характерен для тонкоплёночных люминофоров и диэлектриков с примесными центрами.
3. Поляризационная электролюминесценция. Возникает при воздействии переменного электрического поля высокой частоты на люминесцентный материал. Переполяризация диполей и колебательные процессы в решётке способствуют возбуждению электронов и их последующему излучению.
Спектр излучения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника. При прямозонном переходе энергия испускаемого фотона соответствует Eg или чуть меньше в связи с участием фононов и особенностями распределения плотности состояний.
Таким образом, выбор материала определяет цвет излучаемого света, что имеет ключевое значение в технологии светодиодов.
Внешняя квантовая эффективность (ВКЭ) характеризует отношение числа испущенных фотонов к числу введённых электронов. Она зависит от:
Внутренняя эффективность определяется конкуренцией излучательной и безызлучательной рекомбинации. В идеальном случае все носители должны рекомбинировать излучательно, но в реальных материалах существуют дефекты решётки, центры безызлучательной рекомбинации и процессы захвата, снижающие эффективность.
При прямом смещении p-n перехода:
Ключевая особенность прямозонных полупроводников (GaAs, InP, GaN) состоит в том, что переход электрона из зоны проводимости в валентную зону может происходить без участия фононов, что делает процесс рекомбинации высокоэффективным. В непрямозонных материалах (Si, Ge) вероятность излучательной рекомбинации мала, поэтому их электролюминесценция используется ограниченно.
Интенсивность электролюминесценции пропорциональна плотности тока инжекции. При низких токах доминирует линейный режим, где мощность излучения растёт пропорционально току. При увеличении тока наблюдается насыщение из-за конкуренции с безызлучательными процессами и эффектов саморазогрева.
Для светодиодов важным параметром является пороговая плотность тока, при превышении которой начинается эффективное излучение. В лазерных диодах дополнительно существует пороговая плотность инверсии, необходимая для генерации когерентного излучения.
Электролюминесценция является основой современной светотехники и оптоэлектроники:
Основные проблемы, снижающие эффективность электролюминесценции:
Методы повышения эффективности включают: