Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы оптоэлектроники. Светодиоды. Учебное пособие
.pdf
Bell Laboratories в начале 1960-х гг. GaP относится к
непрямозонным полупроводникам, в которых вероятность
межзонных переходов, происходящих с сохранением импульса,
пренебрежимо мала, поэтому излучательная рекомбинация в
них проходит, как правило, через примесные центры. Введение
в GaP оптически активной изоэлектронной примеси, например
азота, позволило значительно повысить вероятность
излучательной рекомбинации в полупроводнике.
В 1971 г. было опубликовано сообщение о явлении
электролюминесценции, наблюдаемом на образце из пленки
GaN [6]. Исследуемый образец, состоявший из сильно
легированного цинком слоя GaN с двумя поверхностными
электродами, излучал голубой свет с длиной волны 475 нм.
Затем вместо цинка применили магний, в результате удалось
получить структуру, излучающую голубое и фиолетовое
свечение, центральная длина волны которого составляла 430 нм
[7].
В 1972 г. был получен светодиод желтого свечения,
структура которого представляла собой выращенные на
подложках GaAs эпитаксиальные слои GaAsP, легированные
азотом [8].
В конце 80-х гг. XX века благодаря работам Ж. Алферова
были созданы светодиоды на гетероструктурах.
В 1992 г. Акасаки опубликовал статью о создании первого
светодиода из GaN с гомогенным p-n-переходом. Светодиод
излучал свет в ультрафиолетовом и синем спектральном
диапазонах и был выращен на сапфировой подложке.
В 1990 году, работая в Nichia, С. Накамура изобрел
дешевый синий светодиод. Он исследовал пленки нитрида
галлия, которые осаждал из металлорганических соединений.
Ему удалось вырастить многослойные гетероструктуры на
основе нитрида галлия с добавками индия, которые давали
31
яркий синий цвет. К 1993 году компании Nichia первой в мире
удалось начать индустриальный выпуск синих светодиодов.
2.2. Основные характеристики и параметры
светодиодов
2.2.1. Параметры светодиодов
Сила света IV – излучаемый диодом световой поток,
приходящийся на единицу телесного угла в направлении,
перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла.
Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется
в канделах.
Яркость излучения L – величина, равная отношению силы
света к площади светящейся поверхности. Она измеряется в
канделах на квадратный метр (кд/м2) при заданном значении
прямого тока, протекающего через диод.
Постоянное прямое напряжение Uпр – напряжение на
светодиоде при протекании постоянного прямого тока.
Максимально допустимый постоянный прямой ток
I
– максимальное значение постоянного прямого тока, при
пр max
котором обеспечивается заданная надежность при длительной
работе диода.
Максимально допустимое обратное напряжение U
обр max
–
максимальное значение постоянного напряжения, приложенного
к диоду, при котором обеспечивается заданная надежность при
длительной работе.
Максимально допустимое обратное импульсное
напряжение U
обр. и mах
– максимальное пиковое значение
обратного напряжения на светодиоде, включая как однократные
выбросы, так и периодически повторяющиеся.
Максимум спектрального распределения Х
– длина
max
волны излучения, соответствующая максимуму спектральной
характеристики излучения светодиода.
32
2.2.2. Вольт-амперные характеристики светодиодов
2
ln
AD
D
i
NN
kT
V
en
Рассмотрим резкий р-n-переход с концентрациями доноров
ND и акцепторов NA. Все примеси считаем полностью
ионизированными, т.е. концентрация свободных электронов
n = ND, а концентрация свободных дырок р = NA.
В равновесии в окрестности p-n-перехода электроны со
стороны материала n-типа диффундируют от доноров в область
р-типа, где они, встречая дырки в больших концентрациях,
рекомбинируют с ними. Аналогичные процессы происходят с
дырками, диффундирующими в область n-типа. В результате
этого область в окрестности р-п-перехода оказывается
обедненной свободными носителями, поэтому она так и
называется – обедненная область.
При отсутствии свободных носителей в обедненной области
единственными заряженными центрами в ней являются
ионизированные доноры и акцепторы. Эти легирующие примеси
образуют заряженные области: донорную – на стороне n-типа и
акцепторную – на стороне р-типа. Такая область
пространственного заряда формирует разность потенциалов,
называемую контактной разностью потенциалов VD [5]:
, (2.1)
где ni – собственная концентрация носителей в полупроводнике.
На рис. 2.2 показаны зонные диаграммы p-n-перехода при
нулевом и прямом смещениях. При прямом смещении p-nперехода неосновные носители тока диффундируют в
нейтральные области, где рекомбинируют с основными
носителями.
Ширина обедненной области, ее заряд и контактная
разность потенциалов связаны уравнением Пуассона. Зная
контактную разность потенциалов, можно определить ширину
обедненного слоя [5]:
33
2 1 1
DD
AD
W V V
e N N
, (2.2)
p-тип
n-тип
EC-E
F
EF-E
V
eV
D
E
C
E
F
E
V
W
D
E
C
E
Fn
E
V
eVD-eV
eV
E
Fp
где ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника, а V –
напряжение на диоде.
а
Рис. 2.2. Состояние p-n-перехода: а – при нулевом смещении,
Обедненная область обладает высоким сопротивлением,
поскольку в ней мало свободных носителей. Внешнее
напряжение в зависимости от приложенной полярности
позволяет либо увеличить, либо уменьшить потенциальный
барьер p-n-перехода. При прямом смещении электроны и дырки
б
б – при прямом смещении
34
инжектируются в области с проводимостями противоположных
22
1
eV
p
i n i
kT
p D n A
D
n D n
I eA e
NN
()
D
e V V
p
n
kT
AD
pn
D
D
I eA N N e
типов, что приводит к увеличению тока. Носители
диффундируют в области с противоположным типом
проводимости, где они рекомбинируют, испуская фотоны (в
случае излучательной рекомбинации).
Первым вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-nперехода описал Шокли, поэтому выражение для I-V-
характеристики тонкого резкого p-n-перехода иногда называют
уравнением Шокли. Для диода с площадью поперечного
сечения А оно имеет вид [5]
, (2.3)
где D
n,p
и τ
– коэффициенты диффузии и времена жизни для
n,p
электронов и дырок – неосновных носителей.
При обратном смещении диод входит в режим насыщения
по току. Величина тока насыщения определяется
коэффициентом, стоящим в уравнении Шокли перед
экспоненциальной функцией.
При прямом смещении p-n-перехода напряжение V на диоде
обычно намного больше величины kT/e, поэтому [exp(eV/kT)-1]≈
≈ exp(eV/kT). Тогда уравнение Шокли для диода при прямом
смещении имеет вид [5]
Показатель экспоненциальной функции в формуле (2.4)
свидетельствует о том, что при приближении напряжения на
диоде к контактной разности потенциалов, т.е. при V≈VD, ток
через переход резко возрастает. Напряжение, при котором
. (2.4)
35
происходит резкое увеличение тока, называется пороговым
ln
CF
C
n
E E kT
N
ln
FV
V
p
E E kT
N
0
D g F V C F
eV E E E E E
g
ПОР D
E
VV
e
напряжением.
Из зонной диаграммы невырожденного p-n-перехода (см.
рис. 2.2) величина разности энергий между уровнем Ферми и
границами этих зон определяется статистикой Больцмана:
, (2.5)
. (2.6)
Из зонной диаграммы также следует, что сумма энергий
равна нулю [5]:
. (2.7)
В легированных полупроводниках расстояние между
уровнем Ферми и границами соответствующих зон намного
меньше ширины запрещенной зоны, то есть со стороны области
n-типа ЕС – ЕF<< Еg, а со стороны области р-типа ЕF – ЕV<< Еg.
Кроме того, из выражений (2.5) и (2.6) следует, что эти
величины почти не зависят от концентрации примесей
(логарифмическая зависимость). Поэтому можно пренебречь
третьим и четвертым слагаемыми в уравнении (2.7) и для
оценки контактной разности потенциалов (и порогового
напряжения) использовать следующее выражение [5]:
На рис. 2.3 представлены типичные вольт-амперные
характеристики p-n-переходов некоторых полупроводниковых
материалов.
. (2.8)
36
Рис. 2.3. Вольт-амперные характеристики p-n-переходов
некоторых полупроводниковых материалов, полученные при
комнатной температуре [5]
Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в ширине
запрещенной зоны применяемых материалов. Чем меньше длина
волн излучения, тем больше прямое падение напряжения на
светодиоде и потери электрической энергии в нем. Обратные
ветви ВАХ имеют малое допустимое обратное напряжение, так
как ширина p–n-перехода в светодиодах невелика. При работе в
схемах с большим обратным напряжением последовательно со
светодиодом необходимо включать обычный диод.
2.2.3. Оптические характеристики светодиодов
Спектральная характеристика светодиода – это зависимость
интенсивности излучения от длины волны излучаемого света.
Спектральная характеристика определяет цвет свечения
светодиода. В таблице приведены основные полупроводниковые
материалы, позволяющие получить различные цвета излучения
светодиодов.
37
Полупроводниковые материалы для изготовления
Цвет
Длина
волны, нм
Материал полупроводника
И/к
λ > 760
GaAs, AlGaAs, InP
Красный
610 < λ < 760
AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP,
CdSe, ZnCdSe, CdSeS, CdTeS,
GaInAsP, GaAlAsP
Оранжевый
590 < λ < 610
GaAsP, AlGaInP, GaP, ZnCdSe,
CdSeS, CdTeS, GaInAsP,
GaAlAsP
Жёлтый
570 < λ < 590
GaAsP, AlGaInP, GaP, ZnCdSe,
CdSeS, CdTeS, GaInAsP,
GaAlAsP
Зелёный
500 < λ < 570
InGaN, GaN, GaP, AlGaInP,
AlGaP, InN, ZnTe, ZnCdSe,
CdSeS, CdTeS
Синий
450 < λ < 500
ZnSe, InGaN, CdSeS, CdTeS
Фиолетовый
400 < λ < 450
InGaN, CdS, ZnCdS, ZnSeS, SiC
У/ф
λ < 400
Алмаз [9], BN [10], AlN, AlGaN,
AlGaInN, CuAlS2, ZnS, GaS,
ZnCdS, ZnSeS
светодиодов
Излучательная (яркостная) характеристика светодиода – это
зависимость потока излучения Ф от прямого тока IПР (рис. 2.4).
Она характеризует эффективность работы светодиода. Выбор
прямого тока через светодиод в качестве параметра
электрического режима обусловлен тем, что у светодиода p-nпереход включен в прямом направлении и его электрическое
сопротивление мало.
38
Ф
I
ПР
Рис. 2.4. Излучательная характеристика светодиода
При низком токе IПР велика доля рекомбинации
составляющей тока и мал коэффициент инжекции. С ростом
прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до
тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей
диффузионная составляющая. Дальнейшее увеличение IПР
приводит к постепенному насыщению центров люминесценции
и сопровождается ростом ударной рекомбинации. Поэтому при
определенном токе излучательная характеристика достигает
максимума. Максимальная сила излучения зависит от площади
и геометрии излучающего p-n-перехода и размеров
электрических контактов [1].
2.3. Конструкции светодиодов
На рис. 2.5 представлены основные типы конструкций
светодиодов. Излучающая активная область может быть поразному размещена в кристалле. Обычно ее площадь стремятся
сделать минимальной, чтобы достичь требуемых значений
параметров при меньших значениях инжектируемого тока.
Для уменьшения потерь при выходе излучения из кристалла
и улучшения диаграммы направленности иногда используют
кристалл, отличный по форме от параллелепипеда. Поскольку
полупроводник оптически значительно плотнее воздуха,
большая часть световых лучей не выходит наружу, а отражается
39
от поверхности внутрь кристалла и в конечном счете
а
б
в
г
д
е
поглощается. По сравнению с плоским кристаллом можно
получить выигрыш по оптической эффективности при
использовании полупроводниковой полусферы (рис. 2.5, г) в
15...25 раз, пластмассовой линзы – в 3...4 раза (рис. 2.5, д),
усеченного конуса (рис. 2.5, е) — в 4...6 раз.
Рис. 2.5. Конструкции светодиодов: а, б, в – с плоской
излучающей поверхностью; г, д – с полусферической
излучающей поверхностью; е – с торцевой излучающей
поверхностью [1]
Конус, изображенный на рис. 2.5, е, улучшает диаграмму
направленности торцевого излучения структур с широкой
активной областью. Конструкции, приведенные на рис. 2.5, г, е,
сложны, дорогостоящи и непригодны для многих
микроэлектронных устройств из-за больших габаритов [1].
2.4. Светодиоды белого света
Острая потребность в широкой номенклатуре
информационных экранов, дисплеев, осветительных приборов
обусловливает необходимость создания особо ярких
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]