Лабораторная работа 7 изучение явления испускания света полупроводниками

Цель И Содержание: определение частоты излучения светодиодов.

Т ЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Рассмотрим зависимость коэф-фициента поглощения K полупроводников от частоты оптического излучения (рис. 7.1).

Собственный полупроводник будет поглощать в интервале частот, соответствующих условию hν E_g, и не поглощать, если hν < E_g.

Поглощение полупроводников можно изменять, вводя легирующие примеси, которые увеличивают поглощение либо в области низких частот (материалы p-типа), либо при частотах, которые соответствуют энергиям несколько меньше E_g (материалы n-типа).

Электронно-дырочная рекомбинация

Очевидно, что помимо образования электронов проводимости и дырок проводимости, возможен и обратный процесс ‑ рекомбинация электронов и дырок (рис. 7.2). Процесс рекомбинации является относительно редким явлением, поскольку, для рекомбинации электрон и дырка должны достаточно долго находиться в одном и том же месте. Рекомбинация носителей осуществляется различными путями: переходом электронов из зоны проводимости в валентную зону (рис. 7.2а); через локальные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне (рис. 7.2б, в).

П роцесс рекомбинации сопровождается выделением энергии. Выделение энергии может происходить в виде фотона (фотонная рекомбинация), может переходить в энергию решетки, т. е. выделяться в виде фононов (фононная рекомбинация), может быть передана свободному электрону (ударная рекомбинация или рекомбинация Оже).

Как уже отмечалось, возможно испускание света при рекомбинации электронов и дырок (фотонная рекомбинация). Для увеличения вероятности этого процесса следует, прежде всего, увеличить число электронов проводимости и дырок. Это достигается, например, при использовании сильно легированных полупроводников. При контакте сильно легированных полупроводников, обладающих разным типом электропроводности уровень Ферми не находится в запрещенной зоне: уровень Ферми n-области находится в зоне проводимости, а р-области ‑ в валентной зоне. При этом ширина p-n-перехода очень мала (~10^-10 м).

Использование такого p-n-перехода гарантирует высокую концентрацию дырок и электронов, но, как видно из рис. 7.3а, электроны и дырки находятся в разных местах, что препятствует рекомбинации. Если приложить к p-n-переходу большое прямое смещение (рис. 7.3б), сравнимое по величине с шириной запрещенной зоны, то будет обеспечена высокая вероятность появления электронов проводимости и дырок одновременно в одном и том же месте и, следовательно, высокая вероятность рекомбинации. Эта конструкция позволяет получить значительный выход световой энергии и называется светодиодом.

П араметры светодиодов опреде-ляются его вольтамперной характе-ристикой (рис. 7.4). Различия прямых ветвей вольтамперной характеристики связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на светодиоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольтамперной характеристики имеют малое допустимое обратное напряжение, т. к. ширина p-n-перехода в светодиодах незначительна.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Для определения частоты излучения светодиодов используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис. 7.5.1 и 7.5.2.

Исследуемые диоды 5 попеременно включаются в измерительную цепь переключателем 4. Изменяя потенциометром 1 напряжение источника питания, миллиамперметром 3 и вольтметром 2 измеряют силу тока в светодиоде и напряжение на нем, получая вольтамперную характеристику и сследуемого светодиода.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях.

К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Построив по полученным экспериментальным данным вольтамперные характеристики исследуемых светодиодов и экстраполируя прямолинейные участки зависимостей I = f (U) до пересечения с осью U, можно определить прямые смещения U₀, при которых начинается испускание света каждым из исследуемых светодиодов.

Так как прямое смещение U₀ таково, что ΔE = eU₀, то, очевидно, энергия фотона, излучаемого светодиодом, равна:

hν = eU₀,

где e ‑ заряд электрона, h ‑ постоянная Планка. Из этого соотношения можно определить частоту ν излучения светодиода.

Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении А.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

В чем различие энергетического спектра состояний электронов в полупроводниках и диэлектриках?

Как происходит излучение света в полупроводниках?

Рассмотрите явление излучения света в полупроводниках с точки зрения законов сохранения энергии и импульса.

Поясните механизм излучения света полупроводниками через локальные уровни в запрещенной зоне.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список основной литературы

1. Гуревич А. Г. Физика твердого тела. СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

2. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000.

Список дополнительной литературы

1. Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводников. М.: Высшая школа, 1982.

2. Голубин М. А., Хабибулин И. М., Шестопалова В. И. Введение в лабораторный практикум. Элиста: Джангар, 1997.

3. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.

4. Шалимова К. В. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1986.

5. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М.: Мир, 1985.