L'émission infrarouge du germanium

HAL Id: jpa-00235527

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00235527

Submitted on 1 Jan 1956

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

L’émission infrarouge du germanium

P. Aigrain, C. Benoit a La Guillaume

To cite this version:

P. Aigrain, C. Benoit a La Guillaume. L’émission infrarouge du germanium. J. Phys. Radium, 1956,

17 (8-9), pp.709-711. �10.1051/jphysrad:01956001708-9070900�. �jpa-00235527�

709.

L’ÉMISSION INFRAROUGE DU GERMANIUM Par P. AIGRAIN et C. BENOIT A LA GUILLAUME,

Laboratoire de Physique, ^École Normale Supérieure.

Summary. - By shaping properly ^a cristal of germanium (a Weierstrass sphere is used in the present work) ^{it is} possible ^to observe with high efficiency both the direct recombination of hole electrons pairs ^{round an} injecting ^contact (03BB ~ 1,8 03BC), ^{and a} far I. R. emission, ^{which is} thought ^{to be a} consequence ^of interband transition of accelerated holes.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^{ET LE} RADIUM _TOME 17, AOUT-SEPTEMBRE 1956, ^{PAGE 709.}

1. Introduction. Dispositif expérimental.

SouRCE.

Lorsqu’on ^{cherche à observer une}

émission lumineuse faible provenant ^de l’intérieur’

d’un cristal très réfringent ^{comme le} germanium (n

^{4 dans} l’infrarouge), ^{on rencontre} de graves difficultés dues à ce que presque ^toute la lumière

se réfléchit totalement à l’interface cristal-

FIG. 1.

Réflexion totale en surface du germanium.

air ( fcg. 1.). ^{Dans tout le courant de cette étude}

on a utilisé le dispositif ^{de la} figure ² qui ^{évite ces} déperditions de lumière.

Fie. 2.

Sphère de Weierstrass taillée dans le germa- nium ; l’injection ^{se fait au} point de Weierstrass.

Le germanium est ^{taillé sous} forme d’une sphère,

le contact redresseur est situé à un point ^{de Weiers-}

trass. La totalité de la lumière émise est alors réfractée (sauf pour ^un peu de réflexion vitreuse).

L’ensemble se comporte comme une source lumi-

neuse fournissant un faisceau d’ouverture 1.

Il est facile de collecter la quasi totalité de la lumière sur la fente d’entrée du spectrographe.

La transparence ^{élevée du} germanium ^minimise

les pertes de lumière par réabsorption,

SPECTROGRAPHE.

Le spectrographe ^utilisé

était un monochromateur Kipp, agencé pour fonc- tionner en spectrographe. ^{On a} utilisé des détec- teurs à sulfure et tellurure de plomb (cette ^der-

nière cellule refroidie à 90 DK).

,

La lumière à détecter était modulée à 125 périodes. ^Le signal ^fourni par la cellule pou- vait donc être amplifié par ^un amplificateur ^sélec-

tif suivi d’un détecteur synchrone, ^{d’où une excel-}

lente sensibilité.

NATURE DES CONTACTS.

Les contacts redres-

seurs utilisés ont été de deux types : a) ^{Au début}

des pointes métalliques (bronzes phosphoreux).

b) Plus récemment des mesures ont également ^été

effectuées avec des contacts à jonction p. n formés par évaporation-alliage d’aluminium sur un cris- tal de germanium ^de type ^n.

La région ^{p de ces} jonctions peut être contrôlée

avec précision ^{en ce} qui ^{concerne sa surface et}

son épaisseur. ^De plus, ^{la densité} d’impureté y est très élevée (proche ^{de la} solubilité limite de

l’aluminium, ^soit 2,5.1019 atomes /cm3.)

II. Théorie et résultats expérimentaux.

II.1. RECOMBINAISON DIRECTE.

Le ^courant direct à travers un contact redresseur sur du _ger- manium n est composé ^en partie ^{de trous} positifs.

Dans le cas des contacts à pointe, ^{le rendement}

d’émetteur (courant ^de trous /courant total) ^est

médiocre (0,9) ^{aux faibles} densités de ^courant

(quelques milliampères ^{dans le contact) et devient}

faible mais jamais ^nul (de l’ordre de 3 /10) ^aux

densités de courant utilisées. La densité de trous positifs ^au contact reste modérée. Dans ces

conditions, ^la quasi totalité des électrons et des trous se recombinent sur des imperfections ^du

réseau. Ce processus monomoléculaire dit de

Shockley-Read-Hall [1] ^est toujours prédominant

aux faibles densités de porteurs. ^{Il en résulte} qu’aucune ^émission importante ^{n’est observée} qui puisse être attribuée à la recombinaison directe de

paires électron-trou (E

0,72 ^{eV à 300o} K, ^d’où

À

1,8 p. environ).

Il ^{n’en est} pas de même ^avec les jonctions p. n ^à

J’aluminium qui ^sont d’excellents émetteurs (rende-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01956001708-9070900

710

ment proche ^de 1), ^{même aux} très forts courants

(1 ampère). ^{La densité des trous au} voisinage ^du

contact peut ^{alors atteindre 1019} cm3, ^et le pro-

cessus de recombinaison directe, bimoléculaire,

devient prédominant. ^La figure ^{3 montre} le spec-

FIG. 3.

Spectre de recombinaison directe électrons-trous.

tre d’émission au voisinage ^de 1,8 p. (0,72 eV) d’une ^{source à} jonction p. n, ^à la température ambiante (température ^{de la source} 330 OK par suite de l’échaufiement Joule), ^{et avec la source}

au contact d’azote liquide (90 OK) ^dans l’appareil- lage ^{de la} figure ^4.

Fie. 4.

Appareillage utilisé dans les expériences ^{à basses} températures.

La forme (position ^et largeur) ^{est de ces courbes}

d’émission en excellent accord avec la formule

théorique tirée des lois de Wien ^et Kirchoff :

où a(e) représente ^le coefficient d’absorption ^{à la} fréquence v = E ^{et L} l’épaisseur ^de germanium

traversée (de l’ordre du rayon de la sphère).

On a fait l’hypothèse :

et ^a X épaisseur ^{de la} région émissive « 1. On

peut ^{vérifier ces} hypothèses a posteriori. ^{Le fac-}

teur exp (- «L) représente ^la réabsorption ^{de la}

lumière émise dans le volume. En fait aL

0,2

à 0,3 ^{au maximum} d’émission. La valeur de oc(s) ^est

connue d’après ^{Fan et Becker} [2]. On ^{observe un} déplacement du maximum de l’ordre de 0,045 ^eV

entre 90 oR et 330 oK soit environ 19.10-s eV/°C

en bon accord avec la variation connue de l’énergie

d’a.ctivation intrinsèque ^{avec la} température.

Remarquons ^{enfin le} fait que le maximum d’émission se situe vers une énergie ^environ 0,04 ^eV plus ^faible que l’énergie d’activation intrinsèque (A ^T

^{330 oK DE}

0,72 eV, Em

0,68 eV).

Ces 0,04 eV correspondent ^à l’énergie emportée par le phonon ^émis simultanément pour satisfaire ^aux conditions de conservation de la quantité ^{de mou-}

vement. L’émission de recombinaison directe avait

déjà ^{été observée} par Haynes ^et Briggs [3] ^et par Newman [4] qui utilisaient comme sources de

simples jonctions p. n tirées. L’emploi ^{d’une source}

’ en sphère ^de Weierstrass et d’une région p très

impure (alliée ^à l’aluminium) améliore considé- rablement le rendement, ^{d’où une meilleure} préci-

sion dans les mesures.

Il.2. ÉMISSION ^DE GRANDE LONGUEUR D’ONDE.

-

Pour les sources à contact ponctuel ^{à toute} température (de ^{90 OK à 360} oK) ^et pour les

sources à jonction ^{à la} température ^ordinaire

-

mais pas ^à 90 oK - une émission de _rayon- nement IR lointain (2 ^{à 6} p.) ^{est observée} (fig. 5).

Il est possible ^de montrer que l’origine ^{de ce} rayon- nement n’est pas purement thermique : ^{la cons-}

tante de temps ^de décroissance, après ^excitation

par ^une impulsion ^est inférieure à 1 _pus. De plus,

la présence ^{de trous est} nécessaire pour qu’il y ait

rayonnement. ^On peut ^s’en assurer, pour les

sources à pointe ^{en humectant le contact avec une}

solution par exemple ^de Cl2Zn, ^ce qui ^réduit prati- quement ^{à zéro} le rendement d’émetteur : l’émis- sion disparaît. ^{On avait d’abord attribué ce} phéno-

mène à la recombinaison indirecte, ^{sur des défauts}

de réseaux, ^de paires électron-trous. Mais cette

explication ^{est en} contradiction avec l’expérience

sur ceux points :

1) ^Le spectre ^{émis est un} spectre continu. Il n’est pas ^en accord avec les deux raies (d’ailleurs larges) ^à 0,22 ^{eV et} 0,50 ^eV prévues par la théorie.

2) ^Le phénomène ^s’observe inchangé quelle ^que

soit la durée de vie du germanium utilisé, ^{ou la}

nature des défauts qui la limitent.

Il semble qu’il faille attribuer ce phénomène ^à

des transitions entre branches de la bande de valence. Ces transitions sont responsables ^de l’absorption ^{IR du} germanium ^{p ou contenant des}

trous injectés, étudiée par exemple par Briggs,

Newman etc... Si les trous ont une température

élevée ils pourront rayonner ^et le spectre prévu

711 est en bon accord avec celui de la figure ^{5. La cons-}

tante de temps peut ^être faible, ^car l’intensité émise est proportionnelle ^à la densité des trous

présents

qui peut varier vite. On explique ^ainsi

FIG. 5.

Spectre d’émission de grande longueur ^d’onde.

la faible émission I.R des sources à jonction ^à

l’aluminium à la température ordinaire. La tempé-

rature des trous, ^{dans ce cas est} celle du réseau.

Aussi l’émission disparaît ^{si la source est} placée

dans l’azote liquide. ^{Avec les sources à} pointe

l’émission est beaucoup plus ^{forte et} correspond ^à

une température (calculée d’après ^le spectre) supé-

rieure à celle de la source

surtout à l’azote

liquide, ^où l’émission ne disparaît pas.

On peut s’expliquer ^{ces faits en} remarquant que le champ électrique ^au voisinage ^{de la} pointe

atteint 1 000 V /cm : ^{Dans ces} champs élevés, ^la

vitesse d’agitation ^{des trous} devient très supérieure

à celle qui correspond ^à l’équilibre thermique. ^On

échauffe les ^trous bien plus que le réseau. Même si celui-ci est froid, ^{les trous} gardent ^{une vitesse} d’agitation suffisante pour émettre ^{comme une}

source à 500 oR.

Conclusion.

Les deux phénomènes ^{d’émission}

I.R étudiés ici sont très différents des phénomènes

d’électroluminescence. L’un est dû à la recombi- naison directe des paires électrons-trous, ^{l’autre à}

des transitions interbandes entre trous accélérés artificiellement. La structure de la source (sphère

de Weierstrass) ^facilite grandement l’observation du phénomène.

BIBLIOGRAPHIE [1] ^SHOCKLEY (W.) ^{et READ} (W. T.), Phys. Rev., 1952, 87,

835. HALL (R. N.), Phys. Rev., 1951, 83, 228.

[2] ^FAN (H. Y.) ^{et BECKER} (M.), Semiconducting Materials, Butterworth, London, 1951, ^132.

[3] ^HAYNES (J. R.) ^{et BRIGGS} (H. B.), Phys. Rev., 1952, 86, 647.

[4] ^NEWMAN (R.), Phys. Rev., 1953, 91, 1313.

On trouvera des références complémentaires ^{dans nos}

références 2, 3, ^4.