Излучение перехода

В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Впервые явление люминесценции полупроводника наблюдал в 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони. Он случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Независимо от него в 1922 году свечение контакта обнаружил О.В.Лосев, работавший в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории. Лосев писал: “У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0.4 мА… Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света” [1]. (В то время Лосеву О.В. было всего 18 лет. В дальнейшем он получил на свое открытие 4 патента).

Энергетическая диаграмма процесса излучательной рекомбинации в p – n переходе показана на рис.1. Слева на рисунке (1а) представлена диаграмма перехода в состоянии равновесия. При приложении к переходу прямого напряжения и уменьшении контактного скачка потенциала (рис. 1б) электроны и дырки начинают проникать соответственно в области с акцепторной (р) и донорной (n) проводимостью и обедненный слой. Здесь инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света h n (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, – тепловым колебаниям решетки (безызлучательная рекомбинация).

Рис1. Энергетические диаграммы светодиода. а – состояние равновесия, б – инжекция носителей заряда и излучательная рекомбинация при прямом включении перехода светодиода.

Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупро­водника значительный вклад в процесс вносит ток рекомбинации, особенно при малых пря­мых напряжениях, т.е. процесс рекомбинации и генерации света реализуется в основном в обедненной области p–n перехода и отчасти в прилегающих областях на расстояниях равных диффузионной длине пробега частицы.

В светодиодах основную роль играет межзонная излучательная рекомбинация (при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону, минуя примесные уровни), поэтому для того, чтобы светодиод излучал видимый свет, необходимая ширина запрещенной зоны полупроводников должна быть 1,8эВ < DE₃ = (hv) < 3,2эВ. На рис.2 показаны значения ширины запрещенной зоны различных полупроводников. Слева на рисунке представлен спектр, по которому можно приблизительно представить, в какой области будет излучать тот, или иной полупроводник.

Рис 2. Ширина запрещенной зоны (Е_з) и длина химической связи различных полупроводников