4.4. Светодиоды (электролюминесцентные источники)

В современной оптоэлектронике используют в основном люминесценцию твердых тел (холодное свечение). При люминесценции энергия, необходимая для излучения, может подводиться к телу любым нетепловым способом (облучением фотонами или электронами, действием электрического поля и т. д.). Соответственно различают фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию и другие виды люминесценции.

Светоизлучающий полупроводниковый диод (или кратко - светодиод) является одним из основных источников излучения в оптоэлектронике. Он представляет собой включенный в прямом направлении p-n-переход, в котором происходит рекомбинация электронов и дырок. Внешнее напряжение понижает потенциальный барьер на границе p- и n-областей и создает условия для инжекции электронов в р-область и дырок в n-область.

По мере повышения прямого напряжения U ток через переход экспоненциально возрастает и при определяется выражением , которое следует из общего выражения для вольт-амперной характеристики p-n-перехода.

В светоизлучающем диоде (СИД) происходит спонтанное излучение, рассмотренное в лекции 2.

С ветоизлучающий диод, как любой полупроводник, состоит из области с высоким содержанием электронов (n - области) и области с высоким содержанием дырок (p - области). Если к p-n переходу полупроводника приложить прямое напряжение, через него начинают двигаться электроны из n-области, дырки из p-области. Попав в область перехода, эти носители тока становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями. Процесс рекомбинации означает переход электронов с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие уровни валентной зоны. Процесс сопровождается выделением квантов света (фотонов). Это явление – излучательная рекомбинация (рис. 4.2).

Энергия выделяющихся фотонов почти равна ширине запрещенной зоны

(4.1)

где h =6.63∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка (1 эВ = 1,6∙10^-19 Дж).

Подставляя h и с в (4.1), получим E_g = 1,23/λ, где E_g выражена в эВ, λ - в мкм.

Общее число рекомбинаций за секунду определяется силой тока, часть этих рекомбинаций происходит с излучением, и поток излучения Ф, выраженный в количестве фотонов, излученных за 1 с, определяется выражением:

Обычно излучающей является одна из сторон р-п-перехода (например, р-область), поэтому желательно, чтобы доля электронного тока, попадающего в эту область, была минимальной. При низких U и I преобладает рекомбинация в области пространственного заряда, где вероятность излучательных переходов в нужной спектральной области обычно мала.

Д ля получения видимого излучения с λ = 0,38..0,78 мкм полупроводник должен иметь E_g = 1,58…3,24 эВ. Светодиоды изготавливают из GaP, SiC, GaAlAs, GaAsP, GaN. Существуют светодиоды, цвет которых можно менять. В таких СИД - два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум в красной части спектра, а другой - в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы. Светодиоды из GaAs излучают в ИК-области (добавки In, P, Sb). Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получить излучение различного цвета.

Наиболее высокий квантовый выход η наблюдается у диодов из арсенида галлия, излучающих инфракрасный свет. В зависимости от конструкции диодов внешний выход при комнатной температуре составляет 8...20%, а при низкой температуре выход достигает 40% (рис. 4.3). Это говорит о том, что внутренний квантовый выход инжекционной люминесценции в данном веществе может быть близок к 100 %.

С ветодиоды конструируют так, чтобы наружу выходил возможно больший световой поток (рис. 4.4). Значительная часть излучения теряется из-за поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл - воздух (а)

Для уменьшения потерь на полное внутреннее отражение одну из областей светодиода делают в виде полусферы (б) или снабжают светодиод плоской структуры полусферической линзой (в).

Светоизлучающие диоды по назначению подразделяются на СИД, используемые в оптической связи, индикаторные и большой излучаемой мощности.

В настоящее время для оптической связи разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучение и торцевого типа (рис. 4.5, 4.6).

На рис. 4.5 показан светоизлучающий диод (СИД) с поверхностным излучением для волоконно-оптических линий связи.

Д ля предотвращения сильного поглощения света и физического сопряжения с оптическим волокном в подложке из GaAs протравливается ямка. Для такого диода характерно практические ламбертовское распределение интенсивности с шириной диаграммы направленности 120. Размеры излучающей области определяются размерами металлического контакта и подбираются в соответствии с диаметром волокна.

Структура СИД торцевого типа показана рис. 4.6. В торцевом СИД используется двойная гетероструктура.