1.6. Электролюминесцентные источники излучения

К электролюминесцентным излучателям относятся электролюминесцентные порошковые и пленочные излучатели [1.11] и светодиоды - широко распространенные полупроводниковые приборы современной оптоэлектроники на основе инжекционной электролюминесценции.

Светодиод (излучающий диод) [1.12] – это полупроводниковый прибор с - переходом, предназначенный для непосредственного преобразования энергии электрического тока в энергию некогерентного электромагнитного излучения.

Принцип действия светодиодов (СД) основан на двух основных физических процессах: инжекции носителей заряда через прямо смещенный переход, например, электронов из эмиттера в базу (оптически активную область с большой вероятностью излучательных межзонных переходов неосновных носителей) и их последующей излучательной рекомбинации с основными носителями базы - дырками. Эти процессы и должны в основном определять эффективность преобразования светодиодом электрической энергии в энергию излучения. Если в оптически активной базе создана большая концентрация основных носителей – дырок, то для получения в базе большого числа актов излучательной рекомбинации в нее должно быть инжектировано много электронов. В общем случае инжекционные свойства гомогенного перехода характеризуются коэффициентом инжекции

, (1.14)

в котором , прямой ток реального перехода, равный сумме электронной , дырочной и рекомбинационной компонент.

В рабочих режимах светодиодов, при выполнении неравенства и соблюдении условий и выражение (1.14) можно представить в виде

, (1.14')

где - концентрации ионизованных акцепторов в базе и доноров в эмиттере СД; и - дрейфовые подвижности основных носителей базы и эмиттера.

Так как большая часть используемых в светодиодах прямозонных полупроводников ( и др.) характеризуется сравнительно слабо изменяющимся отношением , то из формулы (1.14') следует, что для увеличения можно ограничиться соблюдением неравенства .

Однако выполнение этого неравенства затрудняется двумя причинами: сильному легированию эмиттера (вплоть до см^–3) препятствует увеличение числа дефектов в решетке (вызывающих ухудшение инжекционных свойств из-за туннельного эффекта), а снижать концентрацию примеси в базе нежелательно как из-за увеличения обратного тока СД, так и (в основном) из-за вызываемого этим уменьшением снижения скорости излучательной рекомбинации , пропорциональной произведению концентраций в базе (оптически активной области) основных носителей и неосновных носителей , т.е.

(1.15)

где - коэффициент рекомбинации³ (см³с^-1); - время жизни неосновных носителей (электронов) в базе, обусловленное излучательной рекомбинацией.

По аналогии с выражением (1.15) представим полную скорость рекомбинации в базе СД в виде , где – время жизни электронов в базе, обусловленное безызлучательной рекомбинацией, а является результирующим временем жизни неосновных носителей (электронов) в базе.

При наличии конкурирующих процессов безызлучательной рекомбинации внутренний квантовый выход (или квантовая эффективность) излучательной рекомбинации определится отношением скорости излучательной рекомбинации к полной скорости рекомбинации

. (1.16)

Выражение (1.16) показывает, что высокий квантовый выход излучательной рекомбинации достигается при малом времени жизни , которое, как видно из (1.15), изменяется обратно пропорционально . Таким образом, исходя из эффективности инжекции и люминесценции, требования к уровню легирования оптически активной области СД противоречивы. На практике в гомопереходных СД отдают предпочтение высокому и повышают вплоть до 10¹⁸ см^–3, так как при б`ольших концентрациях образуется много структурных дефектов, увеличивающих скорость безызлучательной рекомбинации.

На эффективность работы светодиодов кроме процессов инжекции и рекомбинации влияют также оптические потери при выводе излучения наружу. Основные потери обусловлены: 1) полным внутренним отражением (ПВО) тех лучей, которые падают на поверхность раздела активной области с воздухом под углом к нормали к поверхности, превышающем угол ПВО , где - показатель преломления материала активной области СД (для распространенных СД на основе GaAs ( =3,54) ); 2) отражением излучения, падающего на поверхность раздела под углом , которое можно приближенно характеризовать коэффициентом отражения , равным для GaAs ~ 0,3; 3) поглощением излучения материалом активной области СД на пути от места его генерации до поверхности. Количественно эти процессы приближенно оцениваются коэффициентом пропускания , который для GaAs равен ~ 0,013.

Внешний квантовый выход или коэффициент полезного действия (КПД) гомопереходного СД, учитывающий снижение эффективности из-за инжекционных, рекомбинационных и оптических потерь энергии, определяемый отношением мощности излучения СД к подводимой электрической мощности, можно рассчитать по формуле

. (1.16')

Из (1.16') видно, что столь малый КПД обусловлен, прежде всего, большими отражательными потерями излучения на поверхности базы СД. Для их снижения в первую очередь необходимо уменьшать угол падения лучей на поверхность базы, для чего этой поверхности часто придают выпуклую форму (например, полусферическую, усеченную сферическую и др.) в сочетании с малой излучающей площадью перехода, а в ряде случаев и с оптическим просветлением поверхности.

Рассмотренные закономерности работы гомопереходного СД позволяют оценить преимущества использования в СД гетеропереходных структур. Поскольку гетеропереход и в равновесном и в прямосмещенном состояниях характеризуется меньшей высотой потенциального барьера для основных носителей широкозонной области (электронов) по сравнению высотой барьера для основных носителей узкозонной области (дырок) на разность ширин запрещенных зон E_g1-E_g2, т.е. E_g1-E_g2, то гетеропереход с согласованной гетерограницей при прямом смещении является практически односторонним инжектором основных носителей из широкозонной области в узкозонную при коэффициенте инжекции независимо от отношения (см. формулу (1.14')). Для примера на рис.1.2 изображена энергетическая диаграмма гетеропереходного СД, смещенного напряжением в прямом направлении. Диаграмма показывает, что из широкозонного эмиттера ( GaAs) электроны почти беспрепятственно инжектируются в узкозонную базу (активную область), а инжекция дырок из базы через потенциальный барьер практически отсутствует. Инжектированные в базу электроны совершают спонтанные переходы в валентную зону, рекомбинируют с дырками и генерируют фотоны с энергией , где - ширина запрещенной зоны базы. Так как , то слой эмиттера является прозрачным широкозонным окном и рекомбинационное излучение базы не поглощает. Понятно, что при оптическом просветлении внешней поверхности эмиттера и ограничении пучка излучения СД в пределах углов падения потери излучения из-за отражения должны отсутствовать. В этом случае гетеропереходный СД должен характеризоваться , а при (см. выражение (1.16)) окажется, что .

Контрольные вопросы к разделу 1

1. Назовите различные виды излучения и дайте их объяснения.

2. Что такое тепловое излучение? Как его получают? Всегда ли тепловое излучение равновесное?

3. Может ли видимое излучение быть тепловым? Всегда ли видимое излучение тепловое или только при определенных условиях?

4. Чем различаются естественные и искусственные источники излучения?

5. К какому виду Вы отнесете излучение: Солнца, голубого неба, Луны, радуги, молнии, лесного пожара, северного сияния, светлячка?

6. Что такое равновесное излучение? Можно ли его получить на практике? Дайте рекомендации.

7. Сформулируйте условия существования равновесного излучения.

8. Является ли солнечное излучение равновесным?

9. Может ли быть равновесным не тепловое излучение? Если – да, то как это сделать?

10. Назовите и объясните законы равновесного излучения.

11. Почему в лампе накаливания используется спиральное тело накала?

12. Чем отличается галогенная лампа накаливания от обычной?

13. Почему лампы накаливания делаются газонаполненными?

14. Почему в газонаполненной ЛН не зажигается газовый разряд?

15. Назовите виды люминесцентных излучений и дайте их объяснения.

16. Какой вид (или виды) излучения испускают разрядные лампы?

17. Что такое плазма? Сколько видов плазмы Вы знаете? Их различия?

18. Чем инжекционная люминесценция отличается от других видов люминесценции?

19. Объясните устройство, работу и эффективность светодиода.

20. Почему в источниках излучения как активная среда используются металлы и газы, но не используются жидкости?

Список литературы

1. Физический энциклопедический словарь/Под ред. А.М. Прохорова. М.: Советская энциклопедия, 1983.

2. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991.

3. Планк М. Единство физической картины мира. М.: Наука, 1966.

4. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели. М.: Энергия, 1978.

5. Бузников А.А.

6. Фарапонова Г.П. Исследование радиационных термоэлементов для измерения радиационных потоков в атмосфере//Актинометрия и оптика атмосферы. Тарту, Изд-во «Валгус», 1968.

7. Литвинов В.С., Рохлин Г.Н. Тепловые источники оптического излучения (Теория и расчет). М.: Энергия, 1975.

8. Вугман С.М., Волков В.И. Галогенные лампы. М.: «Энергия», 1980.

9. Пат. РФ №№ 2160790, 2178958, 2232736; Пат. США №№ 6589898, 6770856; Пат. Канады №№ 2336695, 2400656, Пат. ЕС № 1260882; Пат. Израиля №№ 140633, 151182; Пат. Японии № 4499334.

10. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. М.: Атомиздат, 1969.

11. Мезенов А.В. Генерирование оптического излучения: Учеб. пособие. Л.: ЛЭТИ, 1989.

12. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой и оптической электроники: Учеб. пособие. СПб.: Высш. шк. 2001.

1 Последняя часть определения обусловлена необходимостью разделить люминесценцию и любые излучательные процессы, которые могут происходить одновременно с возбуждающим излучением (рассеянием, отражением, пропусканием и др.).

2 Излучательность , коэффициент поглощения и коэффициент излучения рассматриваемых тел могут быть как спектральными, так и интегральными, как направленными, так и полусферическими.

3 Коэффициент рекомбинации – вероятность излучательной рекомбинации в активной области, т.е. число актов излучательной рекомбинации, происходящих в единице объема активной области за единицу времени при единичной концентрации в ней основных носителей.

33