2.4. Излучающие оэпп

2.4.1. Механизм генерации излучения

Основные материалы излучающих ОЭПП (GaAs и тройные соединения на его основе GaAlAs, GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, в которых разрешены прямые оптические переходы (типа 1 на рис. 3б). Каждый акт рекомбинации при таком переходе сопровождается излучением фотона с длиной волны:

(2.6)

где: - длина волны в мкм;- ширина запрещенной зоны в эВ. Участие третьих частиц при таких переходах не требуется, т.к. импульс частиц сохраняется, поэтому вероятность прямых оптических переходов высока и эффективность люминесценции в прямозонных полупроводниках тоже высока.

Чтобы излучатель работал в области видимого излучения (= 0,38...0,78 мкм), необходимы полупроводники с= 1,5…3,0 эВ (из (2.6)). Это условие сразу исключает применение германия и кремния для излучающих ОЭПП.

В полупроводниках генерация оптического излучения обычно обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. Это генерация оптического излучения в p – n переходе, включающая два этапа: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию. Инжекция обеспечивает создание неравновесных носителей заряда.

2.4.2. Оэпп отображения информации и инфракрасные излучающие диоды

ОЭПП отображения информации – это излучатели энергии видимой области спектра, предназначенные для отображения визуальной информации.

Инфракрасный излучающий диод (ИК - диод) – это полупроводниковый излучатель – диод, рабочим оптическим диапазоном которого является ИК – область (см.рис.1).

Принцип действия обоих типов этих приборов одинаков, разница только в рабочем оптическом диапазоне. К приборам отображения информации относится светоизлучающие диоды (СИД), знаковые индикаторы, полупроводниковые шкалы и экраны. Поскольку отличаются они только конструкцией, но не принципом действия, то здесь мы остановимся только на принципе действия СИД.

Основой СИД является p – n переход (переход металл – полупроводник, гетеропереход). При наличии контакта между однородными полупроводниками с разными типами проводимости уровень Ферми в равновесном состоянии должен быть общим. Следствием этого является искривление зон и образование потенциального барьера( рис. 7,а)

Основная масса дырок из p – слоя, где их много, диффундирует в область перехода (слева направо), но не может преодолеть потенциальный барьер и возвращается в p – слой. Дырки n – слоя легко «всплывают» по потолку валентной зоны в p – слой и образуют дрейфовый поток справа налево, он уравновешивается встречным потоком дырок p – слоя, имеющих достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Аналогично ведут себя и электроны: из p – слоя они свободно «скатываются» в n – слой – это дрейфовый ток. Он уравновешивается встречным потоком электронов n – слоя имеющих достаточную энергию.

Если подать прямое напряжение (рис.7б), то потенциальный барьер понижается, возникают диффузионные токи электронов и дырок, т.е. происходит инжекция неосновных носителей :дырок в n – область и электронов в p – область.

Обычно излучающей является только одна область (p – область на рис.7б). Поэтому необходима максимальная инжекция носителей имено в эту область: Для этого в n – область вводится больше донорной примеси, чем акцепторной в p – область. Этим и достигается практически односторонняя инжекция носителей из n – эмиттера в p – базу и излучает базовая область.

Поскольку для СИД используются материалы с широкой запрешенной зоной, то в них значителен рекомбинационный ток I_рек, вызванный процессами рекомбинации в области пространственного заряда p – n перехода. Чем больше , тем больше потенциальный барьер и тем значительнее рекомбинация электронов вp – n переходе. Она происходит обычно на центрах рекомбинации, имеющих уровни вблизи середины запрещенной зоны (глубокие центры рекомбинации), и заканчивается выделением тепловой энергии. Поэтому для оптического излучения эти электроны «потеряны», а созданный ими ток I_рек снижает эффективность инжекции излучающих электронов.

Полезной составляющей тока, создающей излучательную рекомбинацию в p – базе, является ток I_n, инжектируемый эмиттером. Эффективность инжекции оценивается отношением инжекционного тока I_n к полному току:

(2.7)

где: I_p – часть тока, обусловленная инжекцией дырок в n – эмиттер (I_p тем меньше, чем больше степень легирования n – эмиттера по сравнению с p - базой); I_рек – ток безызлучательной рекомбинации в p – n переходе; I_тун – туннельный ток, вызванный «просачиванием» электронов через потенциальный барьер (I_тун тем больше, чем уже p – n переход, чем сильнее легирована база и чем больше прямое напряжение); I_пов – ток утечки по поверхности p – n перехода.

Количественно эффективность рекомбинации при люминесценции характеризуют внутренним квантовым выходом _э, т.е. отношением числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов излучательной и безызлучательной рекомбинации, либо отношением числа генерированных фотонов к числу инжектированных в p – базу за то же время электронов. В первую очередь _э зависит от плотности прямого тока I. При малых плотностях тока сильно влияет рекомбинация в области пространственного заряда, из – за которой _э сначала быстро растет с увеличением I, пока диффузионная составляющая тока не станет преобладающей в токе диода. Дальнейшее увеличение I приводит к насыщению центров люминесценции и уменьшению _э.

Влияние температуры сводится к изменению коэффициента инжекции и внутреннего квантового выхода. Коэффициент инжекции несколько увеличивается с ростом температуры, а эффективность излучения обычно снижается, и внутренний квантовый выход уменьшается.

Таким образом, в структуре СИД есть только один p – n переход или один полупроводниковый излучающий элемент, форма которого может быть весьма разнообразной.

Полупроводниковый излучающий элемент – часть полупроводникового прибора отображения информации, состоящая из излучающей поверхности и контактов для подключения к электрической схеме.

Полупроводниковый знаковый индикатор – это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из излучающих элементов, и используемый для представления информации в виде знаков, организованный в один или несколько разрядов.

Структура одноразрядного знакового индикатора показана на рис.8. Он состоит из излучающих элементов (сегментов) и децимальной точки, т.е. содержит 8 p – n переходов в одном монокристалле полупроводника. Каждый из сегментов излучает свет при прохождении тока через него в прямом направлении. С помощью внешних коммутирующих устройств можно включить любую из комбинаций сегментов, воспроизводящих цифры от 0 до 9.