Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
27fi Глава 12
сматриваемых случаях наблюдаются "запрещенные" переходы, и матричный
элемент перехода зависит от энергии фотона.
На рис. 3, а представлены спектры излучения р - л-перехода на основе
GaAs, наблюдаемые при температурах 77 и 295 К [25]. Уменьшение энергии
фотона, соответствующей максимуму спектра, при возрастании температуры
обусловлено в основном сужением запрещенной зоны. На рис. 3, б приведена
температурная зависимость энергии максимума и уровней полуширины спектра
излучения диода. Полуширина спектра слабо увеличивается с ростом
температуры, как это и следует ожидать из уравнения (2).
12.2.2. Эффективность люминесценции
При заданной энергии возбуждения наряду с излучательной рекомбинацией
протекают конкурирующие безызлучательные процессы (рис. 4) 126].
Квантовая эффективность люминесценции определяется как отношение числа
возбужденных носителей, дающих вклад в излучение, к полному числу
носителей, участвующих в рекомбинации, и может быть выражена через
времена жизни следующим образом:
'Цд Rr/R == ТПГ/(ТЛГ -(- Тг), (7)
где тг и тпг - времена жизни излучательной и безызлучательной
рекомбинации соответственно, а Rr и R - скорости излучательной и полной
рекомбинации. р-типа проводимости скорость связаны соотношением
R = (п -
Аналогично для слоев я-типа
R = (р -
Для полупроводниковых слоев рекомбинации и время жизни
п0)/х.
Po)h,
(8)
(9)
где п0 и ро - концентрации электронов и дырок в состоянии теплового
равновесия, а п и р - электронная и дырочная кон-
' Излучательныи ' переход
Излучательные
центры
Ловушки
безызлуча-
тельныи
переход
Генерация пары электрон-дырка
Рис. 4. Процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации [26],
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
277
Рис. 5. Зависимость квантовой эффективности GaAs-светодиода от
температуры. На вставке показано поперечное сечение устройства,
используемого для измерения эффективности [25].
центрадии при оптическом возбуждении. Время жизни т неосновных носителей
дается выражением
т = т,тлг/(тлг +тг). (10)
Из уравнения (7) видно, что для обеспечения высокой квантовой
эффективности время жизни тг должно быть мало.
Вставка на рис. 5 иллюстрирует схему измерения эффективности. Измерение
излучения производится непосредственно по току короткого замыкания
солнечной батареи. Внешняя эффективность, измеренная как функция от
температуры, представлена на рис. 5 [25]. С ростом температуры
эффективность уменьшается и имеет значения около 40, 32 и 7 % при
температурах 20, 77 и 300 К соответственно. Уменьшение эффективности
обусловлено уменьшением отношения т/т, с ростом температуры.
12.2.3. Методы возбуждения
К способам, которыми можно возбуждать электролюминесценцию, относятся
междузонное (собственное) возбуждение, лавинное возбуждение и возбуждение
при туннелировании и ин-жекции. Междузонное возбуждение обеспечивается
при воздействии переменного электрического поля на порошкообразный
полупроводник (например, ZnS), впрессованный в диэлектрик (пластмассу или
стекло). Электролюминесценция обычно имеет место при частотах, лежащих в
звуковом диапазоне. Ее эффективность обычно низка (,<Л %). Основными
механизмами возбуждения при этом являются ударная ионизация ускоренных
электронов или полевая эмиссия электронов с ловушек [23, 27 ].
278
Глава 12
Для того чтобы создать лавинное возбуждение, р - л-пере-ход или контакт
металл - полупроводник смещают в обратном направлении в область лавинного
пробоя. Электронно-дырочные пары, возникающие при ударной ионизации,
могут вызвать излучение за счет междузонных (лавинное излучение) или
внутри-зонных (тормозное излучение) переходов. Электролюминесценция может
быть также результатом туннелирования в область прямо-смещенного или
обратносмещенного перехода. При достаточно большом обратном смещении на
контакте металл - полупроводник (вырожденный, /7-типа) дырки с уровня
Ферми в металле могут туннелировать в валентную зону и вызывать
излучательную рекомбинацию с электронами, туннелирующими из валентной
зоны в зону проводимости [28].
Наиболее важным методом возбуждения электролюминесценции является
инжекционный [29]. При прямом смещении на р - я-переходе инжекция
неосновных носителей через переход может привести к весьма эффективной
излучательной рекомбинации, так как в этом случае электрическая энергия
непосредственно преобразуется в фотоны. В последующих разделах мы в
первую очередь будем рассматривать инжекционные электро-люминесцентные
приборы.
12.3. СВЕТОДИОДЫ
Светодиоды - это р - "-переходы, которые при прямом смещении могут
испускать спонтанное излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной
областях электромагнитного спектра. Мы рассмотрим сначала светодиоды
видимого участка спектра, которые широко применяются в информационных
каналах, обеспечивающих связь электронной аппаратуры с ее пользователями,
а затем инфракрасные светодиоды, которые эффективно используются в
оптронах и представляют собой перспективные источники света для
