Излучательные процессы в p-n – переходе. Светодиоды

Как мы уже говорили, рекомбинация носителей заряда в полупроводниках сопровождается излучением электромагнитных волн оптического диапазона – излучательная рекомбинация (п. 6.3). В p-n-переходах эти электронно-оптические явления приобретают существенные особенности.

Прохождение через p-n-переход тока в прямом направлении, как уже отмечалось в п. 7.4, сопровождается инжекцией неосновных носителей у границ p-n-перехода: электронов в p-область, дырок в n-область. Концентрация неосновных носителей у границ p-n-перехода при этом резко возрастает и становится значительно больше равновесной. К инжектированным неосновным носителям притягиваются основные носители, и их концентрация становится также выше равновесной. Этот эффект особенно выражен на расстоянии диффузионной длины от металлургической границы перехода. При удалении от этой границы концентрация неравновесных носителей убывает за счет их рекомбинации.

Поскольку данные носители являются неравновесными, то вблизи p-n-перехода их распределение описывается квазиуровнями Ферми (п. 6.1) , .

По мере удаления от области объемного заряда квазиуровни Ферми будут приближаться к равновесному уровню Ферми и сольются с ним. Энергетические расстояния между квазиуровнями Ферми вблизи области объемного заряда определяются напряжением, приложенным непосредственно к p-n-переходу.

. (7.100)

Очевидно, что максимальное прямое напряжение, которое может быть приложено к p-n-переходу, ограничено высотой потенциального барьера φ ₀= eU_k. С помощью внешнего поля можно уменьшить потенциальный барьер, но нельзя сделать его отрицательным. Это означает, что в p-n-переходе концентрация инжектированных носителей не может превышать концентрацию тех же носителей в эмиттере, где они являются основными. Иначе говоря, вероятности генерации и рекомбинации носителей, т.е. поглощения и излучения энергии в таком переходе близки. Для того чтобы создать излучающий p-n-переход, необходимо нарушить то равновесие, т.е. создать инверсное состояние, когда вероятность излучательной рекомбинации w_изл будет больше вероятности поглощения w_погл

. (7.101)

С учетом (6.1) и (6.2) можно записать

, (7.102)

где E_n, E_p – энергия электронов, дырок.

Поскольку минимальное энергетическое расстояние между E_n и E_p равно ширине запрещенной зоны Е_g, то

. (7.103)

Последнее соотношение является условием инверсии населенностей для переходов зона-зона.

Из сказанного следует, что для создания инверсных состояний при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, т.е. удовлетворении условия (7.103) необходимо, чтобы одна или обе области перехода были вырожденными, т.е. имели сильную степень легирования. Как известно, в таких полупроводниках уровень Ферми находится в разрешенной зоне (рис. 7.15, а).

а)

б)

Рис. 7.15. Электрические диаграммы для вырожденного p-n-перехода: а – в отсутствие смещения; б – смещение в прямом направлений, d – ширина перехода,

l – ширина активной области (E^*_фп - Е^*_фп > E_g)

При прямом включении p-n­-перехода происходит смещение энергетических уровней, уменьшение высоты и широты d потенциального барьера, исходящий уровень Ферми расщепляется на квазиуровни и (см. рис. 7.15). На рисунке видно, что в окрестности перехода возникает активный слой, в котором соблюдается условие инверсии населенности (7.103). Толщина активного слоя l может быть значительно больше d. Именно из этого слоя происходит излучение электромагнитных волн. Частота излучения определяется шириной запрещенной зоны

. (7.104)

Последнее выражение показывает центр спектральной характеристики излучения, интенсивность которого описывается выражением

. (7.105)

Из данного выражения следует, что с ростом температуры спектральная характеристика излучения деформируется. Величина (Δ ν)_0,5 характеризует степень этой деформации, она показывает частотный интервал при . Можно записать

. (7.106)

На базе электрооптических явлений основана работа светоизлучающих приборов – светодиодов. Светодиоды содержат p-n-переход выполненный, как правило, из материала с прямозонной энергетической структурой (п. 6.3) GaAs, GaN и др. P-n переход заключают в прозрачный корпус в виде сферы, полусферы, параллелепипеда и т.д. В микрооптоэлектронных устройствах излучающие светодиоды интегрированы в световод.

Применение гетеропереходов (п. 7.5) дает существенное преимущества по сравнению с p-n-переходами на основе гомогенных структур. Они определяются в основном эффектами широкозонного окна, односторонней инжекции и суперинжекции. Зонные диаграммы приведены в п. 7.5.

1. Эффект широкозонного окна позволяет с минимальными потерями вывести излучение, генерируемое в активной области, через область шикозонного полупроводника. В гомопереходе излучение с частотой активно поглощается в p- и n-областях, поскольку они имеют одну ширину запрещенной зоны. В широкозонной области E_{g 1}> E_{g 2} и поглощение там гораздо меньше.

2. Эффект односторонней инжекции. В гетеропереходах за счет разности потенциальных барьеров для электронов (дырок) всегда осуществляется преимущественная инжекция из широкозонной области в узкозонную. Так, для p-n гетероперехода больший барьер в зоне проводимости препятствует инжекции электронов в широкозонную p-область, а для n-p-гетероперехода больший барьер в валентной зоне препятствует инжекции дырок в n-область. Этот эффект позволяет осуществлять преимущественную инжекцию носителей заряда в ту область перехода, где максимален квантовый выход электролюминесценции.

3. Эффект суперинжекции. В гомопереходах, как уже говорилось, концентрация инжектированных носителей не может превышать концентрации носителей в области эмиттера. В гетеропереходах за счет наличия потенциальных ям это возможно (п. 7.5). Эта особенность инжекции в гетеропереходе делает его очень эффективным, что весьма важно для электронно-оптических источников излучения.

Для приборной реализации всей световой гаммы используется широкий спектр полупроводниковых материалов в гомо- и гетеропереходах. Выпускаются светодиоды красного (GaP-ZnO, GaAs_0,6P_0,4), оранжевого (GaAs_0,35P_0,65), желтого (GaAs_0,14P_0,86), зеленого (GaP, ZnTe), голубого (GaAs-ErYb, SiC, CdS), фиолетового (GaN) цветов свечения. Также светодиоды используют в устройствах отображения информации, устройствах приборной индикации. Выпускаются светодиоды, работающие в инфракрасной области спектра (GaAs, λ ~0,9мкм; Ga_0,3In_0,7As, λ~1,2мкм; Ga_0,28In_0,72, As_0,6P_0,4, λ ~1,3 мкм).

Эти светодиоды используются в системах оптоэлектронной коммутации, оптических линиях связи, системах дистанционного управления, оптоэлектронных процессорах, ЗУ, оптоэлектронных вычислительных машинах.