Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

ческих зон полупроводников, которые можно разделить на две

группы. В первой из них минимуму энергии в зоне проводимос­

ти соответствует импульсРмин• а максимуму энергии в валентной

зоне - импульс Рмакс' причем Рмин = Рмакс• т. е. экстремумы зо­ ны проводимости и валентной зоны в пространстве импульсов (Или волновых чисел) совпадают. 'У второй группы полупровод­ ников экстремумы зоны проводимости и валентной зоны нахо­

дятся при различных Р (см. рис. 3.17), т. е. Рмакс - Рмин = Лр ~О.

В качестве примера полупроводников первой группы можно

привести антимонид индия и. арсенид галлия, а второй - крем­ ний и германий.

Для полупроводников первой группы переходы электронов через запрещенную зону с наибольшей вероятностью происходят

между энергетическими состояниями, соответствующими зна-че­

ниям Лр - О; такие переходы называются прямыми. Для прямых переходов поглощение :квантов с энергией, меньшей ширины за­

црещенной зоны, не происходит, поэтому спектр собственного

поглощения со стороны длинных волн (или малых энергий) дол­

жен резко обрываться (пунктирные кривые на рис. 16.2). Это так

называемая красная (Длинноволновая) rраница 8нутреннеrо фотоэф­

фекта, соответствующая длине волны А = ~р· Для полупроводни­

ков второй I'руппы экстремумы зоны проводимости и валентной зоны находятся при различныхр, т. е. Лр ~О. В этом случае ре­

ализуются непрямые переходы. Вероятность таких переходов мно­

го меньше вероятности прямых переходов. Непрямые переходы

осуществляются с испусканием или поглощением фононов (акус­ тических квантов колебаний кристаллической решетки). Эти пе-

лупроводников. Пунктирные кривые, как отмечено выше, соот­ ветствуют прямым переходам, а сплошные - непрямым. Для длинных волн, находящихся за пределами красной границы, поглощение крайне мало. -Уменьшение а дл.я коротких волн (коротковолновая граница фотоэффекта) обусловлено тем, что в

этой области спектра коэффициент поглощения а очень велик

(> 105 см-1) и излучение поглощаете.я в тонком приповерхност­

ном слое, где времена рекомбинации малы, т. е. фотоносите­ ли рекомбинируют раньше, чем они могут уйти из поверхност­

ного ело.я.

Примесное поглощение. Этот вид поглощения (а - 10... 103 см-1)

связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов под

действием падающего света. В этом случае переходы элек­ тронов соответствуют позиции 2 на рис. 16.1. С увеличением

концентрации донорных примесей в полупроводниках уровень Ферми поднимаете.я вверх и в вырожденном полупроводнике пстипа располагаете.я выше дна зоны проводимости. Поскольку состояния, расположенные ниже уровня Ферми, заполнены,

поглощение, связанное с переходами в эти состояния, невоз­

можно. Возможны только переходы на более высокие уровни, поэтому край спектра собственного поглощения в вырожден­

ных полупроводниках смещается в сторону больших частот (энергий). Если же поглощение связано с переходом электронов

с уровней акцепторов Еа в зону проводимости или из валентной

зоны на уровни доноров Ед (переходы а и с на рис. 16.1), а также

на уровни ловушек Е1 (переходе), то это приводит к смещению спектра по сравнению с границей собственного поглощения в

сторону меньших энергий или больших длин волн. Однако ве­

роятность этих переходов на несколько порядков меньше, чем

собственных (а-103 см-1). В примесном полупроводнике погло­

щение света может происходить за счет перехода носителей между границей валентной зоны или зоны проводимости и соот­

ветственно примесными уровнями Еа и Ед в запрещенной зоне

(переходы Ь и .d на рис. 16.1, обусловленные термической иониза­

цией атомов примесей1). Для таких переходов коэффициент погло­

щения еще меньше (а- 10... 102 см-1).

1В связи с этим приемники ИК диапазона, использующие примесное поглоще­ ние, охлаждают до криогенных температур (-77 К).

Экситонное поглощение. Экситон - это квазичастица, пред­ ставляющая собой связанную электронно-дырочную пару, воз­ никающую при возбуждении электрона валентной зоны энерги­ ей, меньшей энергии ширины запрещенной зоны. Экситон об­

ладает нулевым спином, поскольку спины электрона и дырки

антипараллельны. При размерах экситона (расстоянии между электроном и дыркой), заметно превышающих период решетки, взаимодействие. электрона и дырки представляет собой кулонов­

ское притяжение между положительным и отрицательным за­

рядом, ослабленное средой. В полупроводниках с прямыми пере­ ходами образование экситона сопровождается появлением очень

узкого пика, а при непрямых переходах появляются ступеньки

на краю спектра собственного поглощения (пики наблюдаются

при Л.::;::, \~Рине показаны на рис. 16.2). На рис. 16.1 переходы f, g, h (позиция 3) иллюстрируют экситонное поглощение (а. -

- 10".102 см-1 ). Переход f определяет свободный экситон, а g, h - связанные экситоны. Связанные экситоны возни.кают при

поглощении света полупроводником, при котором возникает

такое возбуждение электронов и дырок, :когда :кулоновское взаимодействие между ними приводит к объединению их с об­ разованием ионоподобных или молекул.ярноподобных комп­

лексов. Переходы g, h на рис. 16.1 иллюстрируют случай, когда

свободна.я дырка объединилась с нейтральным донором (обозна­

чен знаком «ПЛЮС», переход g) или свободный электрон - с нейтральным акцептором (обозначен знаком «минус•, переход h ). В результате образовались экситонные ионы.

Поглощение свободными носителями заряда. При поглощении фотонов свободные электроны переходят с одного уровня на дру­ гой в пределах той же зоны (см. рис. 16.1, переходы 4). :Коэффи­

циент поглощения свободными носителями (а. - 10".103 см-1)

пропорционален их концентрации, квадрату длины волны па­

дающего света и обратно пропорционален эффективной массе

носителей и времени их релаксации. Спектр поглощения свобод­ ными носителями практически непрерывный и смещен в длин­

новолновую часть оптического диапазона.

Решеточное поглощение. Многие полупроводниковые матери­

алы состоят из атомов различного типа, которые можно рассмат­

ривать как электрические диполи. В таких полупроводниках, как Si, Ge и др., диполи индуцируются световой волной. Наиба-

лее сильное поглощение наблюдается, когда частота собственных

колебаний диполей близка к частоте падающего оптического

излучения. Такое поглощение связано с возбуждением коле­ баний кристаллической решетки и называется решеточным

(а~ 1 ... 10 см-1 , см. рис. 16.1, переходы 5). Решетка кристалла

поглощает свет только при определенных значениях энергии фо­

тона, поэтому спектр решеточного поглощения характеризуете.я

рядом пиков поглощения, лежащих в далекой инфракрасной об­ ласти спектра. При взаимодействии света с решеткой поглоща­

ются только такие фотоны, импульс которых равен квазиим­ пульсу фонона, который мал по сравнению с импульсом фотона;

поэтому, как следует из закона сохранения импульса, испуска­

ется, как правило, несколько фононов, что и определяет слож­

ную структуру спектра поглощения колебаниями решетки.

Таким образом, при собственном и примесном поглощениях

образуется избыточная (неравновесная) концентрация свобод­

ных носителей за счет квантовых электронных переходов меж­ ду энергетическими уровнями. Экситонное, фононно-решеточ­ ное и поглощение на свободных электронах вызывают в конеч­

ном счете лишь разогрев кристаллической решетки. Возникновение свободных носителей заряда под действием

излучения приводит к увеличению проводимости материала (фо­

торезистивный эффект) и изменению контактной разности потен­

циалов в электрических переходах, что сопровождается по.явле­

нием фото-ЭДС (фотовольтаический эффект). Эти два эффекта и ис­

пользуются в основном при создании фотоприемников, хотя имеется еще ряд фотоэлектрических эффектов, связанных с воз­

никновением свободных носителей.

Излучение света полупроводниками. Излучающие приборы

преобразуют электрическую энергию в энергию оптического из­ лучения. В основе принципа действия полупроводниковых из­ лучающих приборов лежит .явление электролюминесценции. Электролюминесценция - Излучение света телами под действием

электрического поля - является частным случаем люминес­

ценции. Люминесценция - это явление излучения света, избыточ­ ное над равновесным тепловым излучением тела при данной тем­

пературе, с длительностью, значительно большей периода свето­

вых волн. Эти особенности позволяют выделить люминесценцию

среди других явлений вторичного свечения, в частности таких,

как отражение и рассеяние света, тормозное излучение заряжен­

ных частиц и индуцированное излучение.

458Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Визлучающих приборах используются два наиболее харак­

терных вида электролюминесценции твердых тел: предпробой­

ная, происходящая в порошковых и пленочных электролюми­

нофорах, и инжекционная, вызванная рекомбинацией электро­

нов и дырок в переходах, включенных в прямом направлении.

В рабочем диапазоне длин волн интенсивность светового потока излучающих приборов должна многократно превышать интен­ сивность фонового излучения окружающей среды.

16.З. Светодиоды

Светодиод - полупроводниковый излучающий прибор с од­ ним или несколькими электрическими переходами, преобра­ зующий электрическую энергию в энергию некогерентного оп­ тического (светового) излучения. Используются светодиоды в оптических линиях связи, модуляторах, индикаторных устрой­

ствах, в оптопарах и т. д.

В основе принципа действия полупроводниковых излучаю­

щих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное

с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей за­ ряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Из­ лучение обусловлено рекомбинацией неравновесных носителей и происходит в р-п-переходе и прилегающих к нему областях.

Одно из главных требований, предъявляемых к индикатор­

ным светод:иодам, - спектр излучения должен попадать в види­

мый диапазон. Поскольку в светодиодах основную роль играет

межзонная излучательная рекомбинация, необходимая ширина

запрещенной зоны полупроводников определяется граничными

частотами фотонов Укр и УФ видимого диапазона: hУкр .-;;;; ЛЕ3 .-;;;; hУФ, т. е. 1,8 эВ< ЛЕ3 = (hY) < 3,2 эВ. Из-за относительно большой ши­

рины запрещенной зоны используемого полупроводника ток ре­

комбинации через р-п-переходы оказывается большим по срав­ нению с током инжекции, особенно при малых прямых напряже­

ниях (см. п. 2.3), т. е. процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном вр-п-переходе. В светодиодах возможно получить излучательную рекомбинацию и при подаче обратных смещений, достаточных для ударной ионизации атомов в р­

п-переходе (см. п. 2.3). Образовавшиеся в результате ионизации

неравновесные носители рекомбинируют в р-п-переходе с излу­ чением света, однако такие приборы менее эффективны.

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяют арсенид галлия GaAs, фосфид галлия

GaP, нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC, трехкомпонент­ ный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAs1 _ хрх•

где хе 0 ... 1, и ряд других двойных и многокомпонентных полу­

проводниковых соединений. Использование этих материалов

позволяет создать светодиоды, работающие в ИК, видимой и УФ областях спектра. КПД рассматриваемых приборов в основ­

ном зависит от внутреннего квантового выхода Т\Ф' который равен

отношению количества излученных фотонов к числу рекомбини­

ровавших пар носителей. Вероятность излучательной рекомбина­ ции, определяющая внутренний квантовый выход, непосредст­

венно связана с видом переходов в используемом полупроводнике.

Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми пе­ реходами во много раз больше, чем с непрямыми.

Светодиоды на основе фосфида галлия. На рис. 16.3 (кривая

х ~ 1,0) представлена энергетическая диаграмма чистого фос­

фида галлия, где минимумы энергии дна зоны проводимости при значении импульса р = [J 1 соответствуют прямым перехо­

дам (ширина запрещенной зоны ЛЕ3 = 2,8 эВ), а при р = [J 2 -

непрямым переходам (ЛЕ3 = 2,26 эВ). Следовательно, чистый

фосфид галлия GaP относится к непрямозонным полупроводни­

кам. Квантовый выход для таких переходов незначителен, од­

нако он широко используется для изготовления светодиодов,

рождаются с энергией, примерно равной разности между шири­ ной запрещенной зоны и энергией связи атома ловушки.

Зависимость внутреннего квантового выхода 11ср (в относитель­ ных единицах) от энергии излучаемых фотонов представлена на

рис. 16.5. Полный КПД светодиода, излучающего зеленый свет, приблизительно равен 0,1 % , а излучающего красный~ 3%. Хо­

тя КПД светодиодов с зеленым свечением мал, они применяют­ ся в индикаторной технике, поскольку чувствительность глаза

к зеленому свету в 30 раз выше, чем к красному.

Светодиоды на основе трехкомпонентных твердых растворов.

В светодиодах наиболее часто используются трехкомпонентные

твердые растворы фосфида арсенида галлия GaAs1 _ хрх (энерге­

тические диаграммы соответствуют кривым при О< х < 1, на­ пример х = 0,4 и 0,65 на рис. 16.3). При увеличении фосфора в

решетке арсенида галлия изменяется энергетическая диаграм­

ма полупроводника (см. рис. 16.3). При х = О энергетическая

диаграмма соответствует чистому арсениду галлия, а при х =

= 1,0 - чистому фосфиду галлия. При возрастании хот О до

0,45 ширина запрещенной зоны соединения ЛЕ3 увеличивается

с 1,42 эВ до 1,98 эВ (см. рис. 16.3 и рис. 16.6). В светодиодах на

основе таких материалов преобладают прямые переходы (кри­

вая 1 на рис. 16.6). Дальнейшее увеличение содержания фосфо­ ра (увеличение х) приводит к непрямым переходам (кривая 2 на рис. 16.6), что вызывает уменьшение вероятности межзонной из­

лучательной рекомбинации и, соответственно, внутреннего кван­

тового выхода (кривая 1 на рис. 16. 7).

ЛЕ3, эВ