Напівпровідникові Інжекційні світлодіоди

1. Інжекція неосновних носіїв струму в світлодіодах

Напівпровідниковий світловипромінюючий діод – це твердотільний прилад з одним або декількома p–n переходами, в якому електрична енергія безпосередньо перетворюється у світлову. В основі роботи напівпровідникових світлодіодів лежить ряд фізичних явищ, найважливішими з яких є: інжекція неосновних носіїв в активну область структури електронно-дірковим гомо- або гетеропереходом; випромінювальна рекомбінація інжектованих носіїв в активній області структури. Явище інжекції неосновних носіїв служить основним механізмом введення нерівноважних носіїв в активну область структури світловипромінюючих діодів.

У більшості електролюмінісцентних приладів випромінювальній рекомбінації обов’язково передує інжекція неосновних носіїв в область кристала, де відбувається акт рекомбінації (рис. 1). Завдяки інжекції забезпечується створення нерівноважних носіїв заряду (запас “світлосуми”). У загальному випадку інжекцію носіїв через p–n-перехід можна описати наступним чином (рис.1).

Рис.1. Схематичне розділення збудження люмінесценції в напівпровіднику на елементарні акти.

Коли в напівпровіднику створюється p–n-перехід, носії в його околі розподіляються таким чином, щоб вирівняти рівень Фермі. В області контакту шарів р- і n- типів електрони з донорів переходять на сусідні акцептори і утворюється дипольний шар, який складається з іонізованих додатних донорів, на n-стороні та іонізованих акцепторів на р-стороні (рис. 2, а). Електричне поле дипольного шару створює потенціальний барєр, який заважає подальшій дифузії електричних зарядів.

При прикладанні до p–n-переходу електричного зміщення у прямому напрямі потенціальний барєр понижується, внаслідок чого в р-область ввійде додаткова кількість електронів, а в n-область – дірок. Таке дифузійне введення неосновних носіїв називається інжекцією. Концентрація інжектованих електронів на межі p–n переходу і р-області n^/(x_p) задається виразом:

, (1)

де n_p – концентрація рівноважних електронів у р-області. Концентрація інжектованих носіїв залежить від рівноважної концентрації неосновних носіїв і прикладеної напруги U.

Оскільки інжектовані носії рекомбінують з основними носіями відповідної області, то їх концентрація в залежності від відстані від p–n-переходу змінюється наступним чином (для електронів в р-області):

, (2)

де L_n – дифузійна довжина електронів. Як випливає з формули (2), концентрація надлишкових носіїв експоненціально спадає по мірі віддалення від p–n-переходу і на відстані L_n(L_p) зменшується в е раз. Дифузійний струм І_n, викликаний рекомбінацією інжектованих електронів, описується виразом:

, (3)

де D_n – коефіцієнт дифузії електронів. Дифузійний струм дірок І_р описується аналогічним виразом. У випадку, коли істотні обидві компоненти струму (електронний та дірковий), загальний струм І описується формулою:

, (4)

де

; . (5)

Особливість вирішення питань інжекції при конструюванні світловипромінюючих діодів, у яких, як правило, одна з областей p–n-структури оптично активна, тобто має великий внутрішній квантовий вихід випромінювання, полягає у тім, що для отримання ефективної електролюмінісценції вся інжекція неосновних носіїв повинна бути напрямлена в цю активну область, а інжекція у зворотному напрямку повинна стримуватися.

Якщо активна (випромінююча) область р-типу, то необхідно щоб електронна складова дифузійного струму переважала над дірковою, а інтенсивність рекомбінації в області обємного заряду була незначною. Коефіцієнт інжекції _n , тобто відношення електронної компоненти струму I_no до повного прямого струму I = I_no + I_po, визначається за формулою:

, (6)

де N_D i N_A – концентрації донорів і акцепторів в n- і р-областях відповідно. Із виразу (6) випливає, що для отримання величини _n, близької до одиниці, необхідно, щоб N_D  N_A, L_p  L_n, D_n  D_p. Вирішальну роль, безумовно, має забезпечення співвідношення N_D N_A. Таким чином, для того, щоб кількість інжектованих носіїв була максимальною саме в активній р-області необхідно в n-область вводити більше донорної домішки, а ніж акцепторної в р-область. Слаболегована р-область має великий опір і називається базою. Сильнолегована n-область має низький опір і називається емітером (n⁺). Таким чином, у випромінюючій структурі інжекція практично одностороння – із емітера в базу – і випромінює база.

Разом з тим відмітимо, що, як правило, значення N_D не повинно перевищувати (1  5)  10¹⁹см^-3, так як при більш високому рівні легування зростає концентрація дефектів у матеріалі, що приводить до збільшення долі тунельного струму і погіршення, тим самим інжектуючих властивостей p–n-переходу.

К ардинальне вирішення проблеми односторонньої інжекції дають гетеропереходи. Властивості гетеропереходів, які виникають на межі розділу двох напівпровідників з різною шириною забороненої зони розглянуто в розділі “Напівпровідникові лазери”. В зонній моделі різкого N–p- або P–n-гетеропереходу, на відміну від зонної моделі гомопереходу, внаслідок різниці електронної спорідненості речовин приведених в контакт виникають розриви у валентній зоні Е_v і зоні провідності Е_с. наявність цих потенціальних барєрів при зміщенні переходу в пропускному напрямі приводить до односторонньої інжекції струму із широкозонного напівпровідника у вузьокозонний (рис. 3) практично незалежно від рівня легування n- і р-областей. Для

забезпечення односторонньої інжекції носіїв з допомогою гетеропереходу достатня різниця в ширині забороненої зони  0,1 еВ, так як відношення I_n/I_p пропорційне exp(Е_D/kT).

Друга особливість гетеропереходів полягає у можливості одержання у вузькозонному напівпровіднику концентрації інжектованих носіїв, що перевищує концентрацію основних носіїв у широкозонному напівпровіднику. Цей ефект називається суперінжекцією. Явище суперінжекції дозволяє отримати в активній області високу концентрацію інжектованих носіїв, яку неможливо досягнути за допомогою гомопереходу.

Крім інжекції існує ще один механізм збудження електролюмінісценції – це ударна іонізація при зворотному зміщенні p–n-переходу до напруг електричного пробою. Цей механізм введення нерівноважних носіїв менш ефективний ніж інжекція, із-за участі в ньому розігрітих носіїв, які частину енергії збудження передають гратці напівпровідника. Крім того, ударна іонізація вимагає високих напруг на p–n-переході, які приводять до сильного розігріву p–n-переходу, який у відсутності тепловідведення від кристалу може привести до теплового пробою і виходу приладу з ладу.