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

2 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

27282. Туристские макрорег мира 30.5 KB
  АзиатскоТихоокеанский Страны Восточной и ЮВ Азии Австралия и Океания 4.Африканский Страны Африки кроме Египта и Ливии 5. Исходя из экономических природных исторических и других предпосылок можно выделить 4 туристских территории: 1ВосточноЕвропейская зона: Польша Центральный Чехия Словакия Венгрия Причерноморский Румыния Болгария 2Зона Северной Европы Скандинавские страны Норвегия Швеция Финляндия Дания 3ЗападноЕвропейская зона Британский Великобритания Ирландия Альпийский Франция Швейцария Австрия...
27283. Факторы регионализма 25 KB
  К факторам регионализма можно отнести: 1.Этнический фактор Этнос исторически возникший вид социальной группировки людей который обладает совокупностью признаков.Демографический фактор демографиянаука которая изучает воспроизводство населения.
27284. Сегментирование. Целевой рынок 24 KB
  Целевой рынок Сегментация рынка заключается в делении рынка на четкие группы покупателей которым следует адресовать разные продукты и разные маркет усилия. Целевой рынок – совокупность сущ и потенц покупателей. Стратегия охвата целевого рынка: Недиффер маркет – товар рынок организация выходит на рынок с одним продуктомПр. Диффер маркет – товар1 рынок1 товар2 рынок2 деят организации на неск сегментахПр.
27286. Цикл обслуживания туриста 26 KB
  Обслуживание во время пребывания Основные услуги Орг прожив гостей питание услуги горничной выдача ключей на ресепшен. Дополнит услуги Услуги бизнесцентра пользование междунар междугор связью копир работы предоставл компьютера переводческие услуги услуги сервисбюро брон билетов орг экс обслуж орг питанияразл подраздел общепита обслуж в номерах орг банкетов орг хран личных вещей камера хранения депозитная ячейка платная эл инд сейфы телекоммуникац услугипобудка услуги платного ТВ анимац услуги Выезд и выписка...
27287. Экономика отрасли 27 KB
  Показатели качества: 1.Техничности это те показатели которые обеспечивают рациональность использования материалов. Экологические показатели отражают степень влияния вредных воздействий на окр. Показатели конкурентоспособности: 1.
27288. Экскурсионная деятельность 30.5 KB
  Методические приемы рассказа: прием экс. прием описания. прием характтикиопред. прием комментированияразъясняет смысл события или замысел автора.
27289. Маркет исследование 25 KB
  Маркет инф получается на основе первичных и вторичных данных. Первичные – получаются в результате спец провед маркет исслед для решения конкретной проблемы. источников для целей отличных от целей маркет исслед.
27290. Этапы развития туризма в России 28 KB
  Предпринимат 18901917 19221928 – появл общества тур направл они разраб экс маршруты путеводители организ речных и морск круизов 2 самых больших теплохода того вр формир курорты Крым и Кавказ формир предпр тур бизнеса Кавказская ривьера стр гостин разв экс деят период характ познаватэкс напр и становлением разл видов туризма. Организцентр 1928 301970 – создается всесоюзное добровольное общество пролетарского труизма и экс – ОПТЭ куда вошли орг по туризму была устан гос монополия общ Интурист – развитие ин туризма...