Полупроводниковые источники излучения

В основе полупроводникового источника излучения лежит излучающий p-n переход, свечение в котором возникает вследствие рекомбинации носителей заряда (электронов и дырок) при протекании прямого тока, то есть при подключении прямого напряжения. С точки зрения зонной теории, процесс рекомбинации инжектированных носителей сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий. При этом избыточная энергия выделяется путём излучения кванта света. Длина волны такого излучения  связана с изменением энергии электрона Е соотношением

где h – постоянная Планка, с – скорость света.

Диапазон длин волн видимого глазом света составляет 0,45мкм<<0,68 мкм (рис. 7.1), а Е почти равно энергетической ширине запрещённой зоны полупроводника, из которого изготовлен излучатель. Чтобы кванты энергии – фотоны, высвободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны должна быть относительно широкой (Е>1,7эВ). Излучатели с такой шириной запрещённой зоны принято называть светоизлучающими диодами или светодиодами. Для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твёрдые растворы галлий-мышьяк-фосфор (GaAsP) и галий-мышьяк-алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещённой зоны (Е=3,4эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части спектра вплоть до фиолетового (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Диапазон длин волн видимого и инфракрасного излучения.

Путём добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменить в некоторых пределах цвет излучения диода, например, на основе фосфида галлия, легированного определённым количеством цинка, кислорода или азота, получают приборы зелёного, жёлтого или красного свечения. На рис. 7.2 показаны характерные спектральные характеристики излучателей на основе различных полупроводниковых материалов.

Рис. 7.2. Спектральные характеристики излучателей на основе различных полупроводниковых материалов.

Если для изготовления излучающих диодов используются полупроводники с шириной запрещённой зоны Е<1,7эВ, то излучение такого диода будет лежать в инфракрасной области спектра (рис. 7.1). такой диод называют инфракрасным излучающим диодом, или ИК-диодом. Его излучение не может быть увидено человеческим глазом, а регистрируется лишь физическим фотоприёмником, чувствительным к соответствующей ширине спектра.

Основным материалом для изготовления ИК-диодов являются арсенид галлия и структуры галлий-алюминий-мышьяк. Спектральные характеристики этих диодов имеют один выраженный максимум в интервале длин волн от 0,87 до 0,96мкм.

Работа некоторых светоизлучающих приборов основана на двойном преобразовании энергии: электрической энергии в инфракрасное излучение с последующим преобразованием его в видимый свет. Такие приборы изготавливают на основе арсенида галлия, наиболее эффективного материала , имеющего максимум излучения в инфракрасной области (_max = 0,9мкм). Преобразование в видимый свет происходит за счёт возбуждения антистоксового люминофора, покрывающего излучающую поверхность диода. Достоинством такого прибора является высокая стабильность цвета при изменении прямого тока, недостатком – низкий КПД преобразования и пониженный срок службы и хранения, связанный со старением люминофора.

Рекомбинация дырок и электронов в полупроводниковой структуре не всегда связана с излучением кванта света – фотона (прямая или межзонная рекомбинация). Значительная часть актов рекомбинации осуществляется через примесные центры, расположенные вблизи середины запрещённой зоны полупроводника и заканчивается выделением энергии в виде фотонов – элементарных квантов тепловых колебаний кристаллической решётки. Эти акты называют безизлучательными.

Соотношение между изучательными и безизлучательными рекомбинациями в диодной структуре характеризует её внутренний квантовый выход (отношение излучённых фотонов к числу рекомбинированных пар носителей), который является важнейшим показателем светоизлучающего прибора. Наилучшим с точки зрения величины внутреннего квантового выхода являются светодиоды из арсенида галлия, где этот параметр приближается к 100%. В других светодиодах внутренний квантовый выход значительно ниже (иногда составляет единицы процентов), но и этого оказывается достаточно для создания качественных приборов.

На рис. 7.3 иллюстрируется прохождение луча света, генерируемого в p-n переходе, через слой полупроводникового материала (показатель преломления n > 1) во внешнюю среду (например, воздух с n₂=1). Исходя из закона и полного внутреннего отражения, можно определить угол выхода излучения как

Тогда, например, для полупроводника GaP (n₁=3,28) на границе с воздухом (n₂=1) угол выхода излучения составит . При таком угле за пределы полупроводника сможет выйти около 2% света, излучаемого p-n переходом во все стороны.

Рис. 7.3. Выход излучения из полупроводника во внешнюю среду.

В связи с этим для светодиодов вводят понятие внешнего квантового излучения – отношения числа излучённых во внешнее пространство фотонов к числу инжектированных через p-n переход неосновных носителей заряда. Поскольку большая часть квантов света испытывает полное внутреннее отражение на границе полупроводника с окружающим воздухом, внешний квантовый выход оказывается для светодиодов значительно ниже внутреннего квантового выхода.

Т аким образом, из светодиода, имеющего простейшую плоскую структуру (рис. 7.4, а), в окружающее пространство выходят только сотые доли света, возникших в p-n переходе и вблизи него. Внешний квантовый выход удаётся увеличить при использовании более сложных конструкций светодиодов со структурой в виде полусферического монокристалла полупроводника (рис. 7.4, б) или плоской структуры с прозрачным полусферическим покрытием (рис. 7.4, в).

р г) стекло или пластик в) б) а)

Рис. 7.4. Структура светодиодов: а – плоская планарная, б ­– полусферическая, в – плоская с прозрачным полусферическим покрытием.

В светодиодах с полусферической конструкцией несколько возрастают потери квантов света в результате поглощения в самом полупроводнике из-за увеличения длины пути квантов света от места возникновения до поверхности. Тем не менее светодиоды с полусферической структурой имеют внешний квантовый выход на порядок выше по сравнению со светодиодами с плоской структурой.

В структурах (рис. 7.4, в) пластические материалы выбирают с высоким показателем преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения в полупроводниках.

Для повышения внешнего квантового выхода применяют различные просветляющие покрытия внешней поверхности светодиодов, которые увеличивают его примерно в 1,5 раза вне зависимости от структуры диода. Применение многослойных просветляющих покрытий, однако, усложняет технологию изготовления светодиодов.

Светодиоды выпускаются в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения), в пластмассовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаунда, создающего рассеянное излучение и бескорпусные, во избежание механических повреждений и загрязнений поверхности поставляемые в специальной таре-спутнике (при монтаже их приклеивают клеем).