1.2.2. Инжекционные светодиоды с р-п-переходами

Светоизлучающий полупроводниковый диод (или кратко — светодиод) является одним из основных источников излучения в оптоэлектронике. Он представляет собой включенный в прямом направлении р-п- переход (рис. 1.15), в котором происходит рекомбинация электронов и дырок как в области объемного заряда шириной d, так и по обе стороны от этой области на расстоянии диффузионных длин электронов в р-области (l1) и дырок в п-области (l2). Внешнее напряжение понижает потенциальный барьер на границе р- и n-областей и создает условия для инжекции (введения) электронов в p-область и дырок в п-область.

Подпись: Рис. 1.15. Рекомбинация электронов и дырок в р-п-переходе, включенном в прямом направлении (а), относительный квантовый выход GaP-светодиода с красным излучением (б) и яркость GaAs-светодиода (в) при разных токах

По мере повышения прямого напряжения U ток через переход экспоненциально возрастает и при qU>>kT определяется выражением , которое следует из общего выражения для вольт-амперной характеристики р-п-перехода.

Общее число рекомбинаций за секунду определяется силой тока, часть этих рекомбинаций происходит с излучением, и поток излучения Ф, выраженный в числах фотонов, излученных за 1 с, составляет

(1.16)

Обычно излучающей является одна из сторон р-п-перехода (например, р-областъ), поэтому желательно, чтобы доля электронного тока, попадающего в эту область (коэффициент инжекции γ), была максимальной. При инжекционной электролюминесценции N=1 (см. п. 1.2.1), но величина γ, а следовательно, и ηк = γР могут зависеть от тока (рис. 1.15,б). При низких U и I преобладает рекомбинация в области пространственного заряда, где вероятность излучательных переходов в нужной спектральной области обычно мала, поэтому по мере повышения напряжения и тока γ и ηк сначала возрастают, а затем становятся примерно постоянными. При очень больших U и I возможно уменьшение ηк из-за увеличения числа безызлучательных Оже-рекомбинаций, а иногда и в результате повышения температуры образца.

Существование зависимости ηк (I) приводит к тому, что зависимость Ф(I) является линейной только в области средних токов, когда ηк ≈const. В области низких токов Ф и яркость L растут с повышением I сверхлинейно (рис. 1.15, в), а в области больших I—сублинейно.

Внешний квантовый выход светодиода ηке = ηкK0 всегда ниже внутреннего, что обусловлено прежде всего потерями света при выходе из диода. Из-за полного внутреннего отражения при углах падения, больших θ0, через поверхность полупроводника выйдет только свет в пределах конуса с полууглом θ0 у вершины (рис. 1.16, а). Этот угол определяется условием (п0—показатель преломления материала и, например, для GaP составляет 17,7°. При таком θ0 через границу полупроводник — воздух может пройти только ~2% света, излучаемого р-п-переходом равномерно во все стороны. Улучшить условия выхода света из полупроводника можно придавая ему сферическую форму или добавляя прозрачную пластмассовую линзу сферической формы (рис.1.16,б). Если потери при переходе в линзу устранены, а свет, излучаемый в нижнюю полусферу, поглощается в неизлучающем материале (контактный слой), то максимальное значение К0≈0,5.

Рассмотрим в качестве примера факторы, которые влияют на величину ηке у светодиодов GaP:Zn, О с красным свечением. Основное излучение этих диодов (hv=l,8 эВ) появляется вследствие рекомбинации экситонов, связанных на комплексах Zn — О (после захвата электрона этот комплекс приобретает заряд и притягивает дырку, образуя экситон). Излучающей является р-область, и наибольшее достигнутое значение коэффициента инжекции в эту область γ = 0,8. Рекомбинацией в области пространственного заряда можно пренебречь, так как ее толщина составляет примерно 1·10-5см, а диффузионная длина электронов l1≈10-4см. Измерения фотолюминесценции р-области дают значение Р=0,3 при 300 К (т. е. 2/3 рекомбинаций происходят без излучения). Следовательно, при К0 = 0,5 внешний квантовый выход ηке = 0,8·0,3·0,5 = 12%.

Диоды из GaP с примесью азота дают зеленое свечение и обладают меньшим ηке. Промышленные светодиоды из GaP с красным или зеленым свечением обладают яркостью 50—100кд/м2 и работают при прямом напряжении 3 - 5 В. Цифровые индикаторы на основе этих светодиодов применяют, в частности, в компактных калькуляторах.

Наиболее высокий выход наблюдается у диодов из арсенида галлия, излучающих инфракрасный свет. В зависимости от конструкции диодов внешний выход при комнатной температуре составляет 8—20%, а при низкой температуре выход достигает 40% (см. рис. 1.14). Это говорит о том, что внутренний квантовый выход инжекционной электролюминесценции в этом веществе может быть близок к 100%.

Подпись: Рис. 1.16. Отражение и преломление света в пластинке полупроводника (а) и одна из конструкций светодиода (б):
1-кристалл с р-п-переходом, 2-линза, 3-изолятор
Подпись: Рис. 1.17. Гетеропереход в отсутствие внешне-го напряжения (1) и после включения в прямом направлении (2)

Внешний квантовый выход промышленных диодов GaAs:Si (hv = 0,94 мкм) при комнатной температуре равен примерна 8%. Если активная область сделана сферической, то выход повышается до 20—30%. Соответствующий внешний энергетический выход ηе≈15%. Инерционность светодиодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей в толще полупроводника и составляет 10-7 —10-6 с.

Диоды из GaAs являются миниатюрными приборами размером в несколько миллиметров и массой ~0,5 г. Мощность излучения при токе 100 мА составляет примерно 0,5 мВт, рабочее напряжение ~ 1,7 В.

До сих пор речь шла о гомопереходах, т. е. р-п-переходах, созданных в одном и том же веществе. Особыми свойствами обладают гетеропереходы, полученные между р- и п-областями материалов с различной шириной запрещенной зоны. Выбор таких материалов ограничивается необходимостью точного согласования постоянных решеток обеих компонент (в противном случае на границе образуется большое число дефектов и соответствующие им локальные уровни ухудшают характеристики перехода). Примером материалов с хорошо согласующимися решетками являются GaAs и AlAs, которые образуют непрерывный ряд твердых растворов Ga1-хAlхAs. Меняя х, можно изменять ширину запрещенной зоны этого тройного соединения, например при х = 0,3 ΔЕ=1,8 эВ (у GaAs ΔЕ =1,4 эВ). Вводя необходимые примеси в оба вещества, можно создавать р-п-переходы с различными свойствами.

На рис. 1.17 приведена одна из возможных энергетических схем гетероперехода. При включении его в прямом направлении происходит практически только инжекция электронов в р-область, так как для дырок потенциальный барьер оказывается слишком высоким. В результате из широкозонного материала можно получить одностороннюю инжекцию электронов (γ=1) в узкозонный люминесцирующий материал и повысить таким образом квантовый выход светодиода.

Другим преимуществом гетероперехода является возможность вывода излучения без потерь на поглощение через широкозонный материал. В частности, излучение GaAs при Т=297 К имеет максимум при 1,38 эВ, т. е. оно сильно поглощается самим GaAs, но слабо — более широкозонным материалом Ga1-хAlхAs.

Гетеропереходы используют также для получения когерентного излучения (см. п. 1.2.5).

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.