Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электрофизический факультет

 УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой ЛиСТ

 профессор Лисицын В.М.

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу "Оптические материалы и технология" для студентов

III курса направления 551900 - "оптотехника"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Томск - 2000

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

1.Введение

Электролюминесценцией называется свечение, возникающее при возбуждении твердого тела электрическим током. Явление электролюминесценции (ЭЛ) твердых тел принято разделять на два класса: по эффекту Лосева и по эффекту Дестрио. В первом случае электролюминофор соприкасается с электродами, и таким образом носители заряда могут непосредственно проникать в кристалл. Такая люминесценция наблюдается преимущественно на постоянном токе. Впервые наблюдал ее в 1923 году О.В.Лосев на карбиде кремния (SiC). Второй вид ЭЛ - ЭЛ порошкообразных фосфоров на изолированных от контактов кристаллах ZnS-Cu наблюдал впервые в 1936 году Дестрио. При этом свечение, как правило, можно получить только при возбуждении люминофоров переменным электрическим током. ЭЛ в последние годы находит все большее применение: источники света для световой сигнализации, усилители и преобразователи света, элементы памяти и, наконец, лазеры.

Общим преимуществом всех электролюминесцентных устройств является возможность непосредственного преобразования энергии в световую, сравнительно малая потребляемая мощность и большой срок службы (до 10 тыс. часов). Основной недостаток - относительно малая световая отдача (не выше 15 лм/Вт).

Инжекционная ЭЛ, в отличие от предпробойной, не требует приложения к образцу больших разностей потенциалов. Обычно для получения вполне заметной инжекционной ЭЛ бывает достаточно нескольких вольт (против десятков вольт, необходимых для возбуждения предпробойной ЭЛ). Простейший случай инжекционной ЭЛ представляет собой свечение p-n перехода, включенного в прямом направлении (рис.7.1). В этом случае электроны из p-n-области движутся под действием приложенного напряжения навстречу друг другу. Электроны из n-области проникают в p-область и рекомбинируют там вблизи перехода. Аналогичное наблюдается и для дырок. Однако, обычно один из этих двух процессов преобладает, так что инжекция оказывается односторонней. Если при этом введенная примесь образует центры люминесценции, то рекомбинация на них неравновесных носителей заряда (то есть дырок в n-области и электронов в p-области) будет сопровождаться излучением. Возможна также безызлучательная рекомбинация на центрах тушения. Кроме того, необходимо учитывать, что часть из инжектированных носителей заряда может вообще не рекомбинировать в кристалле, а уйти в электроды. Все это приводит к тому, что яркость инжекционной ЭЛ обычно бывает нелинейно связана с проходящим током.

Эффективность инжекционной ЭЛ, в принципе, может быть очень высокой (термодинамика не запрещает выход ЭЛ больше 100%), так как здесь практически отсутствует бесполезное поглощение энергии, снижающее эффективность предпробойной ЭЛ. В тех случаях, когда удается очистить кристалл от вредных примесей или устранить их влияние, эффективность инжекционной ЭЛ становится близкой к 100%. Это один из наиболее перспективных способов возбуждения ЭЛ. Источник света, основанный на этом виде ЭЛ, получил название светодиода.

Рис.7.1. Инжекция и рекомбинация носителей в n-p-переходе: а - при тепловом равновесии (уровни Ферми в n и p равны F_p =F_n =F, V=0);

б - при большом прямом смещении V (квазиуровни Ферми F_pF_n )

Если бы встреча каждой дырки и электрона, введенных в p-n- переход, заканчивалась рекомбинацией с излучением, то число таких рекомбинаций в секунду было бы равно просто току J, выраженному в числе электронов в секунду. Но так как часть рекомбинаций не сопровождается излучением и, кроме того, не все излучение покидает кристалл, а частично поглощается внутри его, то мощность излучения Ф_e  (Вт) связана с силой тока J (A) следующим образом:

Ф_е=_квhJ, (7-1)

где  —отношение внешнего квантового выхода к внутреннему, т.е. отношение числа вышедших из кристалла квантов к числу квантов, генерированных в результате рекомбинаций; _кв – внутренний квантовый выход - отношение числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов рекомбинации; h - энергия излучаемых квантов; J - ток через p-n переход. Обычно _кв<1. Кроме того, величина внутреннего квантового выхода в общем случае зависит от J и от вида, количества и распределения примесных центров в области, прилегающей к плоскости p-n перехода. Внешний квантовый выход ЭЛ отличается от внутреннего тем, что из-за полного внутреннего отражения из кристалла могут выйти лишь те лучи, которые падают на его поверхность в направлениях, близких к нормали, то есть лучи, не испытывающие полного внутреннего отражения. Поэтому для увеличения внешнего квантового выхода инжекционных СИД их следует делать в виде полушария, в центре плоской поверхности которого расположена небольшая площадка, занятая p-n переходом. Тогда все лучи света, возникающего в p-n переходе, будут падать на сферическую часть поверхности кристалла почти по нормали и, следовательно, смогут беспрепятственно выйти наружу.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) - зависимость рекомбинационного тока от приложенного напряжения V - в случае преобладания рекомбинации в какой-либо одной области p-n перехода, описывается в большом интервале значений напряжения формулой вида:

J = J₀ , (7-2)

где J₀ - константа, имеющая размерность тока; m = 1....2 – в зависимости от конкретных условий и структуры p-n перехода.

Мощность излучения связана с напряжением на светодиоде, согласно (7-1) и (7-2), следующей зависимостью:

Ф_е=_квhJ₀ , (7-3)

Эта зависимость, как можно видеть из сравнения выражений (7-2)

и (7-3), имеет такой же характер, что и ВАХ.

Важнейшей характеристикой светодиода является внешний квантовый выход _кв, который характеризует эффективность преобразования электрической энергии в световую. По определению энергетического выхода

_кв= ; (7-4)

здесь Ф_e - мощность оптического излучения, Вт; P = JV — электрическая мощность, потребляемая светодиодом, Вт; J - ток, проходящий через светодиод, А; V - напряжение на светодиоде, В.

Мощность излучения связана с величиной фототока следующим образом:

Ф_е= , (7-5)

где  —геометрический фактор, учитывающий, что не все излучение падает на фотоприемник: = ;  —чувствительность схемы измерения излучения светодиода, А/Вт; i_ф —фототок, А; Ф_полн —излучаемый светодиодом поток, Вт; Ф_пад —поток излучения, падающий на фотоприемник, Вт.