ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

Изучение оптоэлектронных приборов

Цель работы – ознакомление с принципом действия излучательных диодов, диодных и транзисторных оптронов. Снятие вольтамперных и световых характеристик светодиодов, расчет мощности излучения и КПД. Снятие проходных характеристик оптронов, определение коэффициента передачи по току.

Выполнение лабораторной работы рассчитано на четырехчасовое занятие с предварительной домашней подготовкой. Выполнение лабораторной работы может предшествовать изучению соответствующих разделов лекционного курса. В этом случае они изучаются самостоятельно с использованием рекомендованных учебников и методических изданий по курсу “Твердотельная электроника”.

СВЕТОДИОДЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Светоизлучающими диодами (светодиодами) называются полупроводниковые приборы с p–n-переходом, предназначенные для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптического излучения. В основе принципа их действия лежит рекомбинационное излучение – излучение квантов света (фотонов) при рекомбинации пар электрон – дырка. Для интенсивной рекомбинации необходимо одновременно иметь высокую плотность электронов в зоне проводимости и высокую плотность свободных уровней (дырок) в валентной зоне. Такие условия создаются при высоком уровне инжекции электронов в дырочный полупроводник.

Зонная диаграмма прямосмещенного p–n-перехода с эмиттером электронов представлена на рис. 1. При прямом смещении p–n-перехода внешнее поле Eвн (возникшее за счет падения части напряжения источника питания U на p–n-переходе) частично компенсирует контактное Eк. Энергия электронов в области эмиттера n+-типа увеличивается, уровень Ферми WF поднимается, высота потенциального барьера уменьшается qe(φ0-U) и наблюдается высокий уровень инжекции электронов в базу р-типа. Электроны в базе являются неосновными носителями и создают неравновесный заряд, сосредоточенный вблизи границы p–n-перехода на расстоянии порядка средней длины диффузии электронов в базе Ln. Для сохранения электрической нейтральности из глубины базы подтягиваются дырки. Таким образом, вблизи границы p–n-перехода создается избыточная концентрация электронов и дырок, что приводит к их интенсивной рекомбинации с испусканием квантов света hν.


Однако через прямосмещенный p–n-переход диффундируют не только электроны, но и дырки из p-области. Это приводит к увеличению рекомбинации электронов и дырок в p–n-переходе и в эмиттере и снижению концентрации электронов в базе. Кванты света, возникающие в глубине полупроводника, частично поглощаются в полупроводнике, что снижает квантовый выход. Поэтому необходимо уменьшить дырочный ток через p–n-переход, используя эмиттеры с коэффициентом электронной инжекции γn = In/(In+Ip), где In – электронный, Ip – дырочный ток, близким к единице.

Идеальным эмиттером (γ = 1) является гетеропереход. Зонная диаграмма гетероперехода с эмиттером электронов в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис. 2. Гетеропереход образуется между двумя полупроводниками, имеющими разные электрофизические свойства: разную энергию сродства к электрону Pc, ширину запрещенной зоны DW и диэлектрическую проницаемость ε. Для изготовления гетероперехода необходимо правильно подобрать пару контактирующих материалов. Они должны иметь кристаллическую решетку с одинаковой структурой и близкими постоянными кристаллической решетки а (отличие не более 0.5%) и коэффициентами температурного расширения α. Материал эмиттера по сравнению с материалом базы должен быть более широкозонным и иметь меньшую энергию сродства к электрону. Поэтому гетеропереход с инжекцией электронов

имеет DWp < DWn, Рср > Рсn и εp ≠ εn как показано на рис. 2. При этом уровни энергии Wc и Wv имеют разрыв на металлургической границе (непрерывная вертикальная линия), а потенциальные барьеры для электронов yn и дырок yp оказываются разными. Разница в высоте потенциальных барьеров Δψ = yp–yn = DWn–DWp.

В прямо смещенном гетеропереходе (рис. 3) при высоком уровне инжекции электронов, за счет Δψ дырочный ток практически равен нулю и γn = 1, что характерно для идеальных эмиттеров. В базе вблизи гетероперехода создастся большая (по сравнению с гомопереходом) инверсная заселенность энергетических уровней и квантовый выход инжекционной электролюминесценции повышается. Поэтому в современных светодиодах, как правило, используются гетеропереходы.

Излучательные квантовые переходы в светодиодах происходят спонтанно, независимо друг от друга и в разные моменты времени, поэтому излучение является некогерентным. Спектр излучения светодиодов является широким.

На главную страницу сайта