Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы оптоэлектроники. Светодиоды. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 53 4 5 > Следующая >>>

3) обратный переход электронов в начальное

невозбужденное состояние – излучательный переход.

В зависимости от вида энергии, возбуждающей люминесценцию, различают фото-, электролюминесценцию и другие виды. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. В оптоэлектронных полупроводниковых приборах используется люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной.

Фотолюминесценция, при которой заброс электронов на верхние уровни происходит за счет поглощения квантов, характеризуется тем, что длина волны люминесценции всегда не меньше длины волны возбуждающего излучения.

Катодолюминесценция возникает при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных внешним электрическим полем. При этом один быстрый электрон может возбудить в твердом теле сотни и тысячи свободных электронов.

Электролюминесценция наблюдается в веществах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.

На рис. 1.11 приведена схема электронных переходов при поглощении энергии полупроводниками. В излучателях используются обратные переходы, при которых энергия электронов зависит от ширины запрещенной зоны EG и положений примесных уровней в запрещенной зоне.

Переход 1 называется межзонным. Переходы 2, 3, 4 – с участием примесных уровней центров свечения.

Переход 2 иллюстрирует рекомбинацию электрона, находившегося в зоне проводимости, и дырки в валентной зоне через промежуточный акцепторный уровень.

Переход 3 соответствует случаю, когда рекомбинация происходит через донорный (Д) и акцепторный (А) уровни примесей.

Рис. 1.11. Электронные переходы при поглощении энергии

полупроводниковыми материалами

Переход 4 – это переход электрона с возбужденного уровня на основной в пределах примесного центра (случай внутрицентровой рекомбинации).

Переход 5 наблюдается при низкой температуре и высоком уровне возбуждения и соответствует рекомбинации через экситонные состояния. Экситон – это связанная пара свободных электрона и дырки.

Эффект испускания фотонов полупроводниковыми структурами используется в излучающих диодах.

Следует отметить, что переходы электронов на нижние уровни не всегда сопровождаются люминесценцией. Например, энергия при рекомбинации может частично или полностью переходить в тепловые колебания решетки. При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике может происходить также ударная, или Оже-рекомбинация, заключающаяся в столкновении трех частиц (например, двух электронов и дырки). Энергия рекомбинирующей электроннодырочной пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии.

Количественно эффективность рекомбинации при

   

x k e





   

люминесценции характеризуют внутренним квантовым выходом ηэ, который определяют как отношение числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов (излучательной и безызлучательной) рекомбинации.

1.3.2. Поглощение излучения в полупроводниках

Свет, попадая в твердое тело, вступает с ним во взаимодействие, связанное с обменом энергией. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или фононов (теплового движения атомов). Поглощение света в твердом теле происходит в соответствии с законом Бугера – Ламберта:

, (1.19)

где k – коэффициент отражения; Ф(х) – поток световой энергии на расстоянии x от поверхности (вдоль луча); Ф0 – падающий на поверхность поток световой энергии; α – коэффициент поглощения.

Рис. 1.12. Поглощение оптического излучения в

полупроводнике

Обратная к нему величина χ

 

A h E





= α

-1

численно равна толщине

слоя, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз, как показано на рис. 1.12. Зависимость коэффициента поглощения от частоты α(ν) или от длины волны α(λ) характеризует спектр поглощения тела.

В полупроводниках различают пять основных видов поглощения излучения: собственное, примесное, экситонное, решеточное, на свободных носителях.

Собственное (фундаментальное) поглощение определяется межзонными переходами электронов из валентной зоны в свободную и сопровождается генерацией электронно-дырочных пар. В зависимости от энергетического расстояния между зонами такое поглощение наблюдается в широкой области спектра, включая видимую, инфракрасную и ультрафиолетовую. Собственное поглощение – типично пороговый процесс, поскольку минимальная энергия поглощаемых фотонов определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. Область вблизи hν ≈ EG называется краем собственного поглощения. При hν < EG коэффициент собственного поглощения равен нулю и излучение проходит через полупроводник без потерь. Вид спектральных зависимостей коэффициентов поглощения различных полупроводников определяется структурой их энергетических зон. Для прямозонных полупроводников типа GaAs у края собственного поглощения [4]

где А – коэффициент, зависящий от эффективных масс носителей. Для полупроводников группы A А ≈ 104 см = 0,01 эВ а = 103 см прямозонных полупроводников резко возрастает даже при

, (1.20)

IIIBV

-1эВ-1/2

. Тогда, если для hν = EG, a = 0, то при hν – EG =

-1

, т. е. собственное поглощение для

можно принять

малых превышениях энергии поглощаемых фотонов

 

1 exp / exp / 1

G ф G ф

фф

h E E h E E

E kT E kT







   







  







относительно EG.

Для непрямозонных полупроводников (Si, Ge, GaP и др.) переброс электрона в зону проводимости сопровождается изменением его квазиимпульса и требует участия в процессе поглощения третьего тела, например фонона. Минимальная энергия, необходимая для совершения непрямого перехода, будет hν а будет состоять из двух слагаемых [4]:

= EG + Eф для перехода с испусканием фонона. Тогда

min

, (1.21)

где Е температуры.

имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуются свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон.

перемещению носителя внутри разрешенной зоны на более высокий энергетический уровень. При типичных значениях EG ≈ 1 эВ поглощение на свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь при концентрациях носителей 10 редких случаях.

поглощения на свободных носителях заряда может быть аппроксимирована степенной функцией вида

– энергия фонона; В — постоянная, не зависящая от

Примесное поглощение (примесная фотопроводимость)

Поглощение на свободных носителях заряда приводит к

…10

В общем случае спектральная зависимость коэффициента

, (1.22)

-3

см

, т.е. в относительно

где n – концентрация свободных носителей заряда; b – постоянный коэффициент, зависящий от механизма рассеяния (например, b = 1,5 при рассеянии на акустических фононах, b = 3,5 при рассеянии на ионизированных примесях).

Экситонное поглощение характерно для полупроводников с достаточно широкой запрещенной зоной. При экситонном поглощении электрон и дырка приходят в возбужденное состояние, но остаются связанными друг с другом силами кулоновского взаимодействия в водородоподобном состоянии.

Решеточное поглощение происходит при взаимодействии поля световой волны с колеблющимися зарядами узлов решетки. Другими словами, при решеточном поглощении фотона рождается фонон, причем этот процесс не сопровождается фотогенерацией свободных носителей заряда. Спектр решеточного поглощения характеризуется рядом пиков поглощения, расположенных в ИК-области, обычно они накладываются на линии поглощения свободными носителями.

Рис. 1.13. Спектральные характеристики поглощения света в

полупроводниковом материале

Таким образом, в результате поглощения излучения в полу-

проводнике (и в твердом теле вообще) имеют место квантовые электронные переходы, часть из которых (собственное и примесное поглощение) приводит к образованию избыточной концентрации свободных носителей заряда, а часть (экситонное, фононное поглощение и поглощение на свободных носителях) в конечном счете приводит лишь к разогреву кристалла.

Спектр поглощения света твердым полупроводниковым материалом иллюстрирует рис. 1.13, а типы электронных переходов изображены на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Электронные переходы при поглощении света

в полупроводниковом материале: 1 – собственное

(фундаментальное) поглощение (электрон из связанного

состояния переходит в свободное, из валентной зоны – в зону

проводимости); hv > EG; 2,3 – примесное поглощение;

4 – внутрицентровой переход; 5 – экситонное поглощение;

6 – поглощение свободными носителями заряда

На рис. 1.14 в случае 1 электрон из связанного состояния переходит в свободное (из валентной зоны – в зону

проводимости). Это соответствует собственному (фундаментальному) поглощению. Случай 2 соответствует примесному поглощению. Как при собственном поглощении, так и при примесном наблюдается изменение электропроводности полупроводникового материала.

При внутрицентровых переходах (случай 4) электрон не освобождается и, следовательно, электропроводность не меняется. Случай 5 соответствует экситонному поглощению и не сопровождается изменением электропроводности. Случай 6 иллюстрирует поглощение света свободными электронами пропорционально их концентрации.

Работа фотоприемников, как правило, основана на эффекте собственного поглощения. В некоторых случаях, например для расширения спектральной характеристики, в длинноволновой области используют примесное поглощение.

2. Светоизлучающие диоды

Ранее в качестве источников некогерентного излучения широко использовались электрические лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные источники света, наполненные парами, и неоновые лампы. Излучение этих источников лежит в широком диапазоне длин волн спектра, значительная часть которого выходит за пределы видимой области.

Достижения полупроводниковой электроники за последние десятилетия позволяют включить в перечень искусственных источников света еще один – светоизлучающие диоды (СИД). СИД в настоящее время производятся в промышленных масштабах для самых разных применений в светотехнике. Отличительной особенностью этих полупроводниковых приборов является весьма узкий спектральный диапазон создаваемого ими излучения (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Нормализованные спектры некоторых источников

излучения [1]: 1 – зеленый СИД; 2 – желтый СИД; 3 – красный

СИД; 4 – инфракрасный СИД; 5 – лампа накаливания с

вольфрамовой нитью, температура 2500 К; 6 – лампа

накаливания с вольфрамовой нитью, температура 3400 К; 7 –

неоновая лампа

2.1. История развития светодиодов

История светодиодов фактически началась с момента, когда ученый Генри Джозеф Раунд при работе с кристаллами карборунда (SiC) заметил испускаемое ими свечение. Правда, в те времена не существовало точных методов определения свойств материалов, что не позволило объяснить физику процесса излучения света.

Следующий шаг в развитии светодиодов был сделан экспериментатором О. Лосевым. Он исследовал выпрямляющие SiC-диоды и установил, что излучение света в одних диодах возникает только при их смещении в обратном направлении, а в других – при смещении как в прямом, так и в обратном направлениях. Лосев обнаружил, что появление и исчезновение свечения в SiC-диодах происходило очень быстро, что делало возможным изготовление на их основе так называемых

световых реле. К концу 60-х гг. XX в. были разработаны технологии получения пленок SiC и изготовления на их основе полупроводниковых устройств с p-n-переходом.

В 50-е гг. прошлого века широкое распространение получили полупроводниковые соединения типа A

IIIBV

, в

частности арсенид галлия, антимонид галлия, фосфид индия. В 1962 г. появилось сразу несколько публикаций о создании инфракрасных светодиодов (870-980 нм) и лазеров из GaAs. Серийный выпуск первых светодиодов из GaAs был налажен фирмой Texas Instruments Corp. Это были светодиоды инфракрасного диапазона оптического спектра с длиной волны излучения 870 нм. В настоящее время светодиоды из AlGaAs/GaAs инфракрасного диапазона широко используют в системах дистанционного управления аудио- и видеотехникой, а также в локальных сетях связи, а светодиоды из AlGaAs/AlGaAs красного свечения относятся к видимому диапазону и при этом обладают повышенной яркостью [5].

Начало истории светодиодов видимого диапазона оптического спектра датируется 1962 г., когда Холоньяк и Бевака в журнале Applied Physics Letters опубликовали сообщение о когерентном излучении видимого света, наблюдаемом на p-n-переходе GaAsP. Хотя это свечение было обнаружено при низкой температуре, оказалось, что светодиоды GaAsP работают и при комнатной температуре. Серийный выпуск таких светодиодов был налажен фирмой Монсанто. С этого момента началась эра твердотельных излучателей.

В период с конца 1960-х до середины 1970-х гг. наблюдалось стремительное развитие различных цифровых дисплеев, которые сначала использовали только в калькуляторах. Позднее они стали применяться и в наручных часах.

Первые светодиоды из GaP красного и зеленого свечения были созданы группой ученых под руководством Р. Логана в

<<< < Предыдущая 1 23 / 53 4 5 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]