ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

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.

На главную страницу сайта