74227

Светодиоды. Структуры. Материалы

Лекция

Физика

Для генерации полезного излучения такой носитель практически потерян. С увеличением температуры наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны и как следствие увеличение длины волны излучения. При любом механизме рекомбинации длина волны излучения определяется соотношением...

Русский

2014-12-30

571 KB

1 чел.

ЛЕКЦИЯ 13  Светодиоды. Структуры. Материалы.

Светодиоды представляют собой источники света, физической основой работы которых является инжекционная люминесценция, наиболее эффективная в полупроводниках типа А111 ВV. По структуре энергетических зон бывают полупроводники с прямыми и непрямыми переходами.

В первом случае (рис.1.9 а) обмен носителей между основным минимумом зоны проводимости и валентной зоной идет без изменения импульса (Кс.=Ку=0) и поэтому характеризуется высокой вероятностью. Следовательно, излучательная рекомбинация свободных дырок и электронов протекает интенсивно.

Во втором случае вероятность перехода зона - зона (рис.1.9,б) ничтожна, так как для этого требуется изменение импульса. Однако излучательная рекомбинация может идти эффективно через примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя одного знака на относительно длительное время на примесном центре и затем его рекомбинация со свободными носителями другого знака. В качестве таких центров в фосфиде галлия, например, выступают комплексы донор-акцептор (Zп- 0) или нейтральные изоэлектронные ловушки (атом N вместо Р в решетке GaP}.

Наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и безызлучательные механизмы: рекомбинация на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударная Оже- рекомбинация и др. В этих случаях потеря свободного носителя происходит с выделением фотона с существенно меньшей энергией. Для генерации полезного излучения такой носитель практически потерян. С увеличением температуры наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны и, как следствие, увеличение длины волны излучения. Для прямозонных структур оно  составляет 0.2 нм/°С.

Излучаемая мощность светодиода с увеличением температуры на I °С уменьшается примерно на I %.

Рекомбинационный ток через диод содержит как излучательную i рλ, так и безызлучательную ir , составляющие:

    iр= iрλ + ir

где  отношение iрλ/ir возрастает с увеличением плотности тока через p-п. переход.

При любом механизме рекомбинации длина волны излучения определяется соотношением  W2-W1 = Wg- Δ W   , где Wg - ширина запрещенной зоны, Δ W - расстояние от примесного центра до края ближайшей энергетической зоны. Отсюда следует, что для генерации видимого света ( λ<0,72 мкм) нужны полупроводники с Wg>1,7эВ.

19

 

     20

Если из полупроводника типа A111BV изготовить диод с р-п переходом и приложить к нему прямое смещение, инжекция носителей в базовую область и их последующая рекомбинация вызовут свечение. Излучательная способность светодиода характеризуется внутренней квантовой эффективностью ηint , которая представляет собой отношение числа рожденных на базе фотонов к числу инжектированных в нее носителей. Важной характеристикой является внешняя квантовая эффективность, или отношение числа испускаемых диодом фотонов к полному количеству протекающих через него носителей заряда.

Основными материалами для полупроводниковых излучателей являються соединения AIIIBV,AIIBVI,AIVBIV,а также твердые растворы на их основе. В последние годы начинается использование органических полупроводников, материалов пониженной размерности (квантовые ямы, нити, точки), структур на их основе(сверхрешетки). Новые виды материалов обладают более высокой эффективностью, меньшей стоимостью, повышенными потребительскими качествами.

3.1 Гетероструктуры. Состав. Материалы.

Перспективными для светодиодов являются гетероструктуры, возникающие при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Энергетические диаграммы гетероструктур (рис.1.10) характеризуются различными величинами потенциального барьера для встречных потоков дырок и электронов, что приводит к односторонней инжекции носителей из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. Концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать равновесное значение в эмиттерной области.

 

  В гетероструктурах оптические свойства эмиттера и базы различны, так как Eg1 Eg2, а       n = f(Eg)  Особенно важно, что широкозонный эмиттер слабо поглощает длинноволновое излучение, генерируемое узкозонной базой, и световая волна концентрируется в оптически более плотной области.

Перечисленные свойства позволяют создать высокоэффективные быстродействующие излучатели. Однако для их реализации необходимо , чтобы постоянные кристаллических решеток контактируемых полупроводников были практически одинаковыми (различие более чем на 0,5...1 % недопустимо). Это условие выполняется для пары GaAsAlAs (∆a~0.1%) .  В случае использования других тройных соединений сужают диапазоны возможных различий между Eg1 и Eg2 . Кардинальным выходам из этого положения является использование четырехкомпонентных твердых растворов соединений А111 В1V , обеспечивающих получение материалов при практически полном совпадении параметров решеток подложки и эпитаксиального слоя

Фотометрические и электротехнические параметры:

сила света I (или световой поток Ф ),

 яркость L(в некоторых источниках обозначается В) ,

 мощность излучения Ризл. (при заданном прямом токе ),

 цвет свечения и длина волны излучения,

 полуширина спектра  ,

расходимость излучения θ,

времена переключения  или связанная с ними предельная частота  

Для реальных приборов характерен следующий порядок величин: Ф=10-1…102 млм ,

I=10-1…102 мкд, L=10…103 кд/м2,Ризл=10-1…102 мВт

Характеристики

Основной характеристикой инжекционного светодиода является яркостная. Обычно она имеет нелинейный начальный и почти линейный участок, протяженность которого определяется изменением яркости на выходе диода в пределах одного - двух порядков. Линейный участок используется как рабочий. При этом , где В0 , I* - постоянные. В общем случае зависимость нелинейная и аппроксимируется функцией ,где

Для GaAs-светодиодов γg= 1,2...1,3, для GaР- γg = 0,7...0.9 при больших плотностях токов j = 0,5...0,6.

Параметр I* соответствует пороговому значению тока через диод, при котором уже возможна линеаризация зависимости В . Для комнатных температур значение I* находится в пределах от 0,1...О,5 до 1...2,5 мА и зависит от типа диода, параметров полупроводника, температуры.

   Для светодиодов на основе полуширина спектра излучения =40...100 нм, причем с увеличением температуры значение растет по линейному закону со скоростью

   

Мощность излучения падает с увеличением температуры. Характерно, что при возрастании температуры от -60 до +70°С мощность излучения уменьшается в 2-3 раза.

Зависимость от плотности прямого тока линейна вплоть до = 102 ...103 А/см . Исключение составляют GaР -светодиоды, у которых эта линейность сохраняется до - 10 А/см .

При уменьшении до 0,5...0,1 А/см наблюдается резкое уменьшение ,. диод становится неработоспособным.

Возрастание прямого тока ведет к увеличению времени переключения и некоторому уменьшению .

Диаграмма направленности .

Спектральная характеристика Р = Р( λ )

ВАХ

Исключительно важной особенностью светодиодов является присущая им деградация - постепенное уменьшение мощности излучения при длительном пропускании через прибор прямого тока. Причинами деградации, кроме поверхностных эффектов, являются:

  увеличение концентрации центров безызлучательной рекомбинации, вызванное миграцией в электрическом поле примесных атомов Сu , Аu ,Ni;

дезактивизация части излучательных центров ( Zn ) за счет их перехода из узлов решетки в междоузлия.

4.1 Лазеры. Физические основы работы.

Лазеры в настоящее время являются основой когерентной оптоэлектроники, так как характеризуются высокой монохроматичностью излучения. Термин образован первыми буквами английской фразы “Light  amplification by stimulated emission of radiation ”

(усиление света посредством вынужденного излучения).

Молекула, как и атом, обладает дискретным энергетическим спектром , и число разрешенных уровней гораздо больше, чем у одиночных атомов. Квантовые переходы электронного характера, как и в случае атома, соответствуют световому и рентгеновскому диапазонам. Уровни, обусловленные колебаниями атомов молекулы, обеспечивают квантовые переходы с инфракрасным излучением. Вращение молекул обусловливает переходы с излучением сантиметровых и миллиметровых волн.

Среднее время жизни атомов или молекулы в возбужденном состоянии τ-10-8с.

Резонансные частоты квантовых переходов fki образуют в совокупности спектр излучения или поглощения. В идеальном случае это совокупность бесконечно узких спектральных линий. В действительности ширина их конечна, что объясняется как внешними воздействиями (тепловые колебания атомов, влияние электрических и магнитных полей, эффект Допплера и т.д.), так и соотношением неопределенности Гейзенберга:

    ,

где ∆E - неопределенность энергии уровня Em, ;

τ - время жизни частиц на уровне Еm.

Естественная ширина спектральной линии ∆fест не связана с внешними воздействиями, обусловлена спонтанными переходами и для газообразного аммиака при частоте перехода f = 24370 МГц равна 10-3 Гц. С учетом внешних влияний ширина линии возрастает на несколько порядков.

Возможны и безызлучательные переходы, которые индуцируются фотонами.

В естественных условиях населенность электронами верхнего уровня меньше, чем нижнего в соответствии с формулой Больцмана

  

где К = 1,38*10-23   Дж/К - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

Для создания когерентного светового излучения необходимо предварительно осуществить инверсию населенностей, в результате которой верхний уровень оказывается больше заселенным, чем нижний.

Для создания инверсии населенностей необходимо внешнее воздействие: разряд в газах, возбуждение светом или электронным лучом, инжекция носителей заряда p-n переходом.

Исторически первым в I960 г. был создан твердотельный лазер на рубине.

Полупроводниковые лазеры характеризуются тем, что у них дискретные энергетические уровни из-за высокой плотности активных частиц превращаются в широкие зоны. Поэтому КПД полупроводниковых лазеров теоретически близок к 100%, а на практике составляет около  50%. Однако, по этой же причине, полупроводниковые лазеры по степени  монохроматичности излучения уступают газовым, жидкостным и твердотельным.

Инверсия населенностей в полупроводнике состоит в том, что на дне зоны проводимости и потолке валентной зоны образуется большое число соответственно свободных электронов и дырок. Накачка осуществляется током большой плотности (104...106 А/см) через р-n- переход. Вынужденное излучение происходит при переходе электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны. При этом происходит рекомбинация дырок и электронов и внешнее излучение с длиной волны, соответствующей разности энергий перехода.

Лазер с двойной гетероструктурой (ДГС-лазер) и с полосковой геометрией электрода (рис. 1.13) представляет собой оптимальную конструкцию ПЛ. Теоретические и экспериментальные исследования двойных и оди-

Рис. 1.13.   Устройство  лазера  с  двойной  гетероструктурой (ДГС-лазер).

нарных гетероструктур (например, п-GаАs—р-GаАSp+-GаА1Аs) привели к заключению, что пороговая плотность тока пропорциональна толщине активного слоя:

Jпор=ζd, причем для ДГС-лазеров на основе GаAsGаА1Аs при комнатной температуре ζ ~ (3 ... 5кА/см2*мкм). Если пренебречь некоторым снижением Jпор при уменьшении lр, то легко получить

  ,   (1.15)

т. е. пороговый ток генерации пропорционален объему активного вещества Va (приближенное равенство в (1.15) дано для ДГС-лазеров на основе GаАsGаAlAs. Величина Jпор очень резко возрастает при повышении температуры: ( Иногда используют .) (переход от азотной температуры к комнатной ведет к увеличению  Jпор в 5 ... 20раз) .

Для наиболее совершенных ДГС-лазеров на основе GаАsGаА1Аs удалось при комнатной температуре получить Jпор<1 кА/см2. Двойная гетероструктура позволяет получать низкие пороги генерации и на других материалах. Так, при продвижении в длинноволновую область для опытных образцов GaInAspInP –лазеров (λ=1,1 мкм) при d=0,6 мкм получено Jпор=2,8 кА/см2, а для GaAlAsSbGaAsSb лазеров λ=1 мкм при d=0,5 мкм Jпор=2,1 кА/см2 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70985. Правовой статус человека и гражданина в РФ 72.66 KB
  Данное исследование посвящено изучению ряда вопросов, касающихся проблематики правового статуса человека и гражданина в Российской Федерации. Думается, что рассматриваемая в данной работе проблема является актуальной на современном этапе развития российского государства...
70986. Спектроскопия комбинационного рассеяния 82.72 KB
  Комбинационное рассеяние света (КРС)— неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света
70987. Разработка ПП АИС «Колледжи Москвы» 213 KB
  В данном программном продукте будут предусмотрены функции просмотра БД о колледжах. Также предусмотрен поиск по двум критериям, редактирование и печать отчётов. Разработка системного проекта АИС «Колледжи Москвы»...
70990. Облік загальновиробничих витрат та порядок їх віднесення на собівартість продукції 963.5 KB
  Основою для розробки і реалізації управлінських рішень є відповідна інформація про стан справ в тій або іншій області діяльності організації в конкретний момент часу. Так, дані обліку витрат виробництва (обіг) і калькуляції собівартості продукції (робіт, послуг) є важливим засобом...
70991. Інженерно–технічний захист інформації та інформаційних систем 673 KB
  Основною метою кваліфікаційної роботи є вивчення і аналіз методів і засобів захисту інформації в мережі. Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити ряд завдань: Розглянути погрози безпеці і їх класифікацію; Охарактеризувати методи і засоби захисту інформації в мережі...
70992. Основи організації обліку готівкового обігу на ТзОВ «Коломийська автобаза» 208.5 KB
  Метою написання даної роботи є дослідження роботи підприємства ТзОВ «Коломийська автобаза», та розкрити теоретичну частину обігу грошових коштів (а саме касових операцій) як в національній практиці так і з порівнянням досвіду зарубіжних країн.
70993. Визначення юридичних підстав кримінальної відповідальності за злочини проти власності 90.17 KB
  Одним із важливих напрямів розбудови України як незалежної демократичної держави є протидія злочинності. Успіх у цій діяльності значною мірою залежить від теоретичних розробок протидії окремим видам злочинності.