ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Спектральная характеристика светоизлучающих диодов выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения прибора. Обычно излучение светодиодов является монохроматическим. Ширина максимума спектральной характеристики излучения по уровню 0,5 составляет Δλ = 0.03÷0.05 мкм. Длина волны излучаемого света λ определяется разностью энергий ΔE двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации

λ = hc/ΔE, (3)

где h = 6.626·10–34 Дж·с = 4.14·10−15эВ·с – постоянная Планка,

с = 2.998·108 м/c – скорость света.

Величина ΔE близка к энергетической ширине запрещенной зоны полупроводника (ΔE ≤ ΔW). Чтобы кванты света – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света (0.4 < λ < 0.7 мкм), ширина запрещенной зоны должна быть относительно большой (ΔW > 1.8 эВ).

В настоящее время для изготовления светоизлучающих диодов используются кристаллы соединений типов АIIIВV (элементов III и V групп таблицы Менделеева) табл. 1:

– арсенид галлия GaAs, ΔW = 1.42 эВ, максимум излучения лежит в инфракрасной области λ = 0.89 мкм;

– фосфид галлия GaР, ΔW = 2.27 эВ, максимум излучения в зеленой области спектра λ = 0.55 мкм;

– нитрид галлия GaN, который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны ΔW = 3.4 эВ, что позволяет получать излучение в синей области, вплоть до фиолетового.

Тройные соединения GaAsx–1 Px и GaAsx–1 Alx, где x – концентрация фосфора или алюминия, используют, в основном, для получения диодов красного цвета свечения. Кроме того, находят применение и другие широкозонные полупроводники, например, карбид кремния SiC (AIVBIV) свечение в диапазоне λ = 0.56÷0.63 мкм, сульфид цинка ZnS (AIIBVI) ΔW = 3.74 эВ, максимум спектрального распределения излучения на длине волны λ = 0.38 мкм (фиолетовая часть спектра).

Диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами излучения с длинами волн λ = 0.55 мкм и λ = 0.70 мкм. В зависимости от вида и количества легирующих примесей (цинк, кислород или азот) внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, изменяются соотношения между этими максимумами. В результате получают диоды зеленого, желто-оранжевого или красного цвета свечения.

Арсенид галлия GaAs является прямозонным полупроводником. В прямозонных полупроводниках могут происходить как излучательные, так и безизлучательные рекомбинации. Соотношение между излучательными и безизлучательными рекомбинациями характеризует внутренний квантовый выход η, который является важнейшим показателем светоизлучающего диода:

ηвнутр = Nизл/ Nинж, (4)

где Nизл – число излученных фотонов, а Nинж – число инжектированных носителей в единицу времени.

Внутренний квантовый выход определяется соотношением концентраций и сечений захвата центров излучательной и безизлучательной рекомбинации. Поэтому в окрестности p–n-перехода стремятся снизить количество дефектов кристаллической решетки и нежелательных примесей с тем, чтобы уменьшить скорость безизлучательной рекомбинации.

Фосфид галлия является непрямозонным полупроводником. В тройных соединениях GaAsP отношение прямых и непрямых переходов уменьшается с увеличением концентрации фосфора. Основной вклад в излучательную рекомбинацию вносит рекомбинация через примесные центры.

Основными легирующими соединениями в светодиодах на основе соединений АIIIВV являются:

– элементы II группы Zn и Mg – акцепторы;

– элемент V группы N – изоэлектронная примесь;

– элементы VI группы S, Se, Te – доноры;

– комплексы Zn-O, Cd-O, которые играют роль глубоких ловушек для электронов.

На первой ступени акта рекомбинации (переход электрона из зоны проводимости на донорный уровень или переход с акцепторного уровня в валентную зону) изменяется волновой вектор электрона. Ионы доноров или акцепторов являются своеобразными посредниками, получающими от электрона и передающими решетке импульс фонона. Благодаря этому становятся возможными излучательные переходы с донорного или акцепторного уровней (рис. 4 и 6). Следует отметить, что рекомбинация через примесные центры характеризуется меньшей величиной энергии фотона (сдвиг в красную область спектра), чем при прямом межзонном переходе. При этом характерно, что энергия фотона при рекомбинации донор – свободная дырка в n-полупроводнике (рис. 4, б) обычно больше, чем акцептор – свободный электрон в p-полупроводнике (рис. 4,в). Причина состоит в том, что глубина залегания донорных уровней обычно меньше, чем акцепторных.

В видимой области спектра внутренний квантовый выход ηвнутр у диодов с гомопереходом составляет единицы процентов, у диодов с гетеропереходом – может составлять единицы – десятки процентов.

ВНЕШНИЙ КВАНТОВЫЙ ВЫХОД И ЯРКОСТЬ СВЕЧЕНИЯ ДИОДА

К числу важных параметров светодиода относится внешний квантовый выход

ηвнеш = ηвнутр·ηповерх, (5)

где ηповерх – коэффициент вывода света во внешнюю среду. На величину ηповерх оказывают влияние ряд факторов:

Поглощение света полупроводником. В полупроводниках с прямыми переходами имеет место высокий коэффициент поглощения, поэтому глубину залегания p–n-перехода уменьшают до 1÷2 мкм. Другой способ повышения ηповерх – вывод света через n-область (рис. 7, а). При этом n-область легируют значительно сильнее, чем p-область, вследствие чего излучательная рекомбинация инжектированных носителей происходит в p-области. Глубина залегания акцепторного уровня Wа больше, чем донорного Wd и энергия фотонов hνса = Wс − Wа оказывается меньше, чем hνdv = (Wd − Wv) и ΔW.

Отражение излучения от границы раздела полупроводник-воздух. Полупроводниковые материалы имеют высокий коэффициент преломления n = 3.3÷3.6. Наружу может выйти только то излучение, которое

падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического Θкрит = arcsin n–1. Для фосфида галлия GaP этот угол составляет Θкрит = 17.7º. С целью увеличения критического угла кристаллы полупроводника заливают полимерными компаундами с большим показателем преломления (n = 1.5÷2.0). Высокое значение коэффициента вывода света можно получить, если придать кристаллам полупроводника (путем шлифования) специальную форму (рис. 7,б и в). Для уменьшения поглощения света и стоимости изделия p–n-переход изготавливают по планарной технологии и покрывают прозрачным полимерным полусферическим (или параболическим) покрытием (рис. 7,г).

Работа некоторых светоизлучающих приборов основана на двойном преобразовании энергии: электрической энергии в инфракрасное излучение и преобразование его в видимый свет. Преобразование в видимый свет происходит при возбуждении антистоксовского люминофора (λизлучения < λпоглощения), покрывающего излучающую поверхность ИК диода (GaAs).

Характеристикой диода как источника света является зависимость силы света Iν от прямого тока (световая характеристика). Сила света Iν – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (кд).

Сила света диода пропорциональна числу актов излучательной рекомбинации в единицу времени (пропорциональна произведению квантового выхода (5) на полное число актов рекомбинации. На рис. 8 и 9 представлены зависимости внутреннего квантового выхода ηвнутр и силы света Iν от плотности прямого тока j для GaP диодов. При малых значениях j происходит, в основном, безизлучательная рекомбинация носителей на примесных центрах в области p–n-перехода. Вследствие этого ηвнутр при малых токах невелик и резко возрастает с увеличением инжекции носителей и их рекомбинации на центрах излучательной
рекомбинации. При дальнейшем увеличении плотности тока имеется почти линейный участок световой характеристики Iν(j), протяженность которого определяется изменением силы света светодиода в пределах одного – двух порядков (ηвнутр ≈ const). При больших значениях j нарушается пропорциональная зависимость между силой света и плотностью тока вследствие заполнения излучательных центров, которые образовались при введении в полупроводник акцепторной, донорной или изоэлектронной примеси.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10–8с после подачи импульса прямого тока.