1.2 Електронно-дірковий перехід при прямій напрузі

При подачі на р-n- перехід зовнішньої напруги фізичні процеси в ньому залежать від полярності напруги . Зовнішня напруга, підключена плюсом до р-області, а мінусом до n-області, називають прямою напругою U_пр. Напруга U_пр майже повністю падає на р-n- переході, оскільки його опір у багато разів перевищує опір р- і n-областей. Полярність зовнішньої напруги U_пр протилежна полярності контактної різниці потенциалів U_к, тому електричне поле, створене на р-n- переході зовнішньою напругою направлено назустріч внутрішньому електричному полю. В результаті цього потенційний бар'єр знижується і стає чисельно рівним різниці між напругами, діючими на р-n- переході: φ = U_к –U_пр. Проте поки U_пр менше U_к, ще існує потенційний бар'єр; збіднений носіями заряду шар р-n- переходу має ще великий опір і струм в ланцюзі має малу величину. При збільшенні зовнішньої прямої напруги до величини U_пр = U_к потенційний бар'єр зникає, ширина збідненого шару прямує до нуля. Подальше збільшення зовнішньої напруги за відсутності шару р-n- переходу, збідненого носіями заряду, приводить до вільної дифузії основних носіїв заряду з своєї області в область з протилежним типом електропровідності. В результаті цього через р-n-перехід потече порівняно великий струм, званий прямим струмом I_пр, який з збільшенням прямої напруги росте. Введення носіїв заряду через електронно-дірковий перехід з області, де вони є основними, в область, де вони є неосновними, за рахунок зниження потенційного бар'єру називають інжекцією. Рух основних носіїв заряду через р-n- перехід створює електричний струм в зовнішньому ланцюзі.

1.3 Електронно-дірковий перехід при зворотній напрузі

Зворотною напругою U_зв називають зовнішню напругу, полярність якої співпадає з полярністю контактної різниці потенціалів; вона прикладена плюсом до n-області, а мінусом до р-області. При цьому потенційний бар'єр зростає: він чисельно рівний сумі внутрішньої і зовнішньої напруг: φ = U_к + U_зв.

Підвищення потенційного бар'єру перешкоджає дифузії основних носіїв заряду через p-n-перехід, і вона зменшується, а при деякому значенні U_зв зовсім припиняється. Одночасно під дією електричного поля, створеного зовнішньою напругою, основні носії заряду будуть відходити від p-n-переходу. Відповідно розширяються шар, збіднений носіями заряду, і p-n-перехід, причому його опір зростає. Внутрішнє електричне поле в p-n-переході, що відповідає збільшеному потенційному бар'єру, сприяє руху через перехід неосновних носіїв заряду. При наближенні їх до p-n-переходу електричне поле захоплює їх і переносить через p-n-перехід в область з протилежним типом електропровідності: електрони з р-області в n-область, а дірки – з n-області в р-область. Оскільки кількість неосновних носіїв заряду дуже мала і не залежить від величини прикладеної напруги, то створюваний їх рухом струм через p-n-перехід дуже малий. Струм, що протікає через p-n-перехід при зворотній напрузі, називають зворотним струмом I_зв. Зворотний струм по характеру є дрейфовим тепловим струмом , який не залежить від зворотньої напруги. Процес захоплення електричним полем p-n-переходу неосновних носіїв заряду і перенесення їх при зворотній напрузі через p-n-перехід в область з протилежним типом електропровідності називають екстракцією.

Рис.2. р-n перехід при освітленні

Інжекційна електролюмінісценція.

Інжекційна електролюмінісценція, тобто генерація оптичного випромінювання в р-n переході, об’єднує два процеси: інжекцію носіїв і власне електролюмінісценцію. Звичайно випромінюючою є область тільки - по одну сторону р-n переходу (р-область на рис. 1). Очевидно, бажано, щоб кількість інжектованих носіїв була максимальна саме у випромінюючій (активній) -області. З цією метою в n-область вводять більше донорної домішки, ніж акцепторної в р-область. Слабо легована р-область має високий опір. Ця область називається базою. Сильно-легована n-область має низький опір: ця область називається емітером і позначається n⁺. Таким чином , у випромінюючій структурі інжекція практично одностороння із емітера в базу — і випромінює базова область.

Складові струму через р-n перехід приведені на рис.3. Як відомо, матеріали випромінюючих структур повинні мати широку заборонену зону. В таких структурах виявляються значним і навіть переважаючим рекомбінаційний струм І_рек, викликаний процесами рекомбінації в області об'ємного заряду р-n переходу. Чим більша ширина забороненої зони, тим більший потенціальний бар'єр і тим значніше рекомбінація електронів в р-n переході. Ця рекомбінація відбувається звичайно на глибоких центрах люмінесценції і закінчується генерацією фонона (генерація на центрах рекомбінації 2 –рис.3). Таким чином, для випромінювання ці електрони „пропадають” і знижують ефективність інжекції випромінювальних електронів. Корисною компонентою струму, що забезпечує випромінювальну рекомбінацію в р- базі, є електронний струм І_n інжектуємий емітером. Ефективність інжекції визначається тим, наскільки струм І_n відрізняється від повного струму І і характеризується коефіцієнтом :

=І_n/I= І_n/I(I_n+I_p+І_рек+І_тун+І_пов)

де І_р — діркова складова струму, обумовлена інжекцією дірок в n-емітер І_рек-струм безвипромінювальної рекомбінації в області р-n переходу; І_тун -тунельний струм, обумовлений проходженням носіїв через потенційний бар’єр ; І_пов струм витоку по поверхні р-n переходу.

Інжектуємі в р-базу електрони рекомбінують там поблизу р-n переходу. При цьому разом з рекомбінацією, яка забезпечує генерацію оптичного випромінювання (центри рекомбінації 1 на рис.3.) існують механізми безвипромінювальної рекомбінації, випромінювання, що не дають випромінювання.

Якість напівпровідникового світлодіода, як і діода оцінюється коефіцієнтом випрямлення , який дорівнює відношенню сили пямого струму до зворотнього, виміряних при однаковій напрузі ( )