МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э.БАУМАНА

Калужский филиал

Ю. К. Крутоголов, Р. В. Нехаенко

«Определение длины волны квантового выхода излучения светодиода».

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по физике твердого тела.

Калуга 2004 г.

СОДЕРЖАНИЕ

«Определение длины волны квантового выхода излучения светодиода». 1

1. Техника безопасности 4

2. Цель работы 4

3. Теоретическая часть 4

4. Экспериментальная часть 6

Порядок выполнения эксперимента 6

5. Контрольные вопросы 9

6. Литература 10

1. Техника безопасности

Прежде, чем включать установку, необходимо изучить настоящую инструкцию.

При выполнении работы необходимо соблюдать общие правила техники безопасности для данной лаборатории.

Эксплуатация установки допускается только в случае заземления входящих в нее приборов и блоков.

Запрещается включать источники питания приборов, а также осуществлять манипуляции с установкой, не предусмотренные настоящей инструкцией.

2. Цель работы

Изучение физических процессов, происходящих в светодиоде при прямом смещении, и определение внешнего квантового выхода излучения светодиода.

3. Теоретическая часть

Светодиод – это p-n переход сильно легированных полупроводников p-типа и n-типа. При прохождении через него прямого тока происходит явление излучения света, т.е. при прямом смещении он способен люминесцировать. Люминесценция – неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела. Кванты света возникают в процессе рекомбинации инжектируемых p-n переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда. В нем происходит преобразование электрической энергии в энергию оптического излучения.

Инжекция ­­– проникновение избыточных неосновных носителей заряда вглубь области полупроводника, прилегающей к электронно-дырочному переходу при прохождении через проход электрического тока.

Рис. 1

Важнейшей характеристикой светодиодов является внешний квантовый выход η_ext, который определяется как отношение интегрального по спектру числа Φ излучаемых квантов, выходящих во внешнюю среду по всем углам, к числу носителей заряда, пересекающих p-n переход в единицу времени:

(1)

где I – сила тока через диод,

q – заряд электрона.

Внешний квантовый выход удобно представлять в виде трех составляющих, характеризующих три процесса, протекающих при работе светодиода:

(2)

Первый процесс – это инжекция (впрыскивание) неосновных носителей заряда через p-n переход при приложении к светодиоду прямого смещения: электронов в р-область и дырок в n-область (рис. 1). Эффективность инжекции неосновных носителей заряда в область, где происходит их излучательная рекомбинация, характеризующаяся коэффициентом инжекции η_i. Эта величина всегда меньше единицы и показывает, какую долю в полном токе через светодиод составляют неосновные носители, инжектированные в указанную область:

(3)

где I₁ – инжекционная (диффузионная) составляющая тока через p-n переход.

Зависимость инжекционного тока от падения напряжения U на p-n переходе имеет вид:

(4)

- постоянная Больцмана.

Т - абсолютная температура.

Полный ток представляет собой сумму инжекционного тока I₁ и тока утечки I₂, обусловленного безызлучательной рекомбинацией в области пространственного заряда p-n перехода и местах его выхода на поверхность полупроводника. А зависимость тока утечки от напряжения на p-n переходе имеет вид:

, (5)

то полный ток зависит от напряжения следующим образом:

, (6)

где коэффициент изменяется от 1 до 2 при изменении соотношения между инжекционным током и током утечки при разных напряжениях на p-n переходе.

Если при этом излучательная рекомбинация определяется инжекционным током, т.е.

, (7)

то зависимость интенсивности излучения (интегрального числа фотонов) от полного тока имеет степенной вид:

. (8)

Положение максимума полосы излучения зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Таблица 1

Полупроводник	Eg, эВ	Цвет люминесценции
AlGaAs (арсенид галлия-алюминия)	1,6 – 1,9	Красный
GaAsP (арсенид-фосфид галлия)	2,0 – 2,2	Желтый
GaP (фосфид галлия)	2,3	Зеленый
SiC (карбид кремния)	2,4 – 3,2
GaN (нитрид галлия)	3,4	Голубой