Светодиоды. Принцип действия

ЛЕКЦИЯ 14. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

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 E _вн (возникшее за счет падения части напряжения источника питания U на p–n- переходе) частично компенсирует контактное E _к. Энергия электронов в области эмиттера n ⁺-типа увеличивается, уровень Ферми W _F поднимается, высота потенциального барьера уменьшается q _e(φ ₀- 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 L _n. 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 γ_n = I _n/(I _n+ I _p), где I _n – электронный, I _p – 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 P _c, ширину запрещенной зоны D W 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 D W _p < D W _n, Р _ср > Р _с_n и ε _p ≠ ε _n как показано на рис. 2. При этом уровни энергии W _c и W _v имеют разрыв на металлургической границе (непрерывная вертикальная линия), а потенциальные барьеры для электронов y _n и дырок y _p оказываются разными. Разница в высоте потенциальных барьеров Δ ψ = y _p– y _n = D W _n–D W _p.

В прямо смещенном гетеропереходе (рис. 3) при высоком уровне инжекции электронов, за счет Δ ψ дырочный ток практически равен нулю и γ _n = 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.