Электролюминесценция

Излучательная рекомби­нация, возбуждаемая пря­мым током через p-n-переход, называется электролюминесценци­ей. При этом в полупровод­никовых диодах происходит прямое преобразование энергии электрического то­ка в энергию света. Особенности прохождения электрического тока через p-n-переход связаны с тем, что на границе областей с раз­ными типами проводимости, как и вообще на границе двух различных тел, существует потенциальный барьер.

На рисунке 1 схематически представлен процесс формирования потенциального барьера при контакте полупроводников с электронным и дырочным типом проводимости. Часть дырок, вследствие градиента концентрации, бу­дет диффундировать через p-n-переход, n-область при этом будет заряжаться по­ложительно относительно p-области. Таким же образом часть электронов будет диффун­дировать в p-область, и она будет заряжаться отрицательно относительно n-области.

Рисунок 1 – Зонная диаграмма p-n-перехода в равновесии и при прямом смещении.

Пространственный за­ряд слева от границы пе­рехода образуется отри­цательно заряженными акцепторами, так как компенсировавшие их за­ряд дырки ушли в n-область. Пространственный заряд справа соответст­венно образован положи­тельными донорами, так как компенсировавшие их заряд электроны ушли в р-область. Таким образом по обе стороны от геометри­ческой границы раздела между p- и n-областями создаются области пространственного заряда. Внешние границы этих областей и можно считать границами p-n-перехода. Образование таких заряженных областей (электрическо­го двойного слоя) приводит к созданию электрического поля и разности потенциалов в p-n-переходе. Направление поля будет таким, чтобы тормозить диффузионное движение ды­рок направо, а электронов – налево. В соответствии с из­менением потенциала в области p-n-перехода искривляются энергети­ческие зоны в полупро­воднике. В условиях равновесия установится такой потенци­альный барьер, при котором число носителей заряда (элек­тронов и дырок), переходящих через p-n-переход налево, равно числу переходящих направо.

Электрический ток через переход в рав­новесии равен нулю. Разность потенциалов между двумя различными по свойствам областями полупроводника, устанав­ливающаяся в результате описанного процесса об­мена носителями заряда в условиях равновесия, называется контактной разностью потенциалов φ_к.

Рассмотрим изменение зонной диаграммы p-n-перехода род действием внешнего электрического поля. Пусть знак внешнего напряжения такой, что потенциаль­ный барьер для электронов и дырок понижается по сравне­нию с равновесным («+» на p-области, «—» на n-области). Тогда число электронов, переходящих из n-в р-область, увеличится. Поток же электронов из р-области в n-область не изменится по сравнению с равновесным, так как для их движения по­тенциального барьера нет. Справа электроны являются основными носите­лями, и если внешнее напряжение превышает величину kT/q, то поток их налево дает основной вклад в полный ток.

Аналогично увеличивается поток дырок из р-в n-область, и не изме­няется их поток в обратном направлении.

Явление перехода неравновесных дырок из р-в n-область и неравновесных электронов из n-в р-область называется инжекцией неосновных носителей. Соответствующий знак на­пряжения и направление тока через p-n- переход называ­ются прямыми [2].

Дырки, инжектированные через p-n-переход под действием прямого смещения, попадают в n-область, где они являются избыточными носителями заряда. По мере продвижения в глубину n-области избыточные дырки рекомбинируют с элек­тронами, и вдали от p-n-перехода концентрация дырок ста­новится равной равновесной концентрации p_n, а ток переносится практически только электронами. Прямой ток определяется тем, сколько дырок может пройти p-n-переход при данном внешнем напряжении, и тем, как быстро избы­точные дырки, попавшие в n-область, рекомбинируют с элек­тронами.

Процесс ре­комбинации электронов и дырок может сопровождаться из­лучением квантов света с энергией hν. Это происходитв том случае, если вы­деляемая при захвате но­сителей энергия значи­тельно превышает ту, ко­торую может поглотить решетка. Как правило, доминирующим является безызлучательный механизм рекомбинации.