- •Изучение характеристик излучающего диода Лабораторная работа №2. Изучение характеристик излучающего диода.
- •Сведения из теории.
- •Излучательная и безызлучательная рекомбинация. Внутренний квантовый выход люминесценции полупроводникового материала.
- •Спектр рекомбинационного излучения.
- •Инжекция носителей заряда в излучающем диоде.
- •Внешний квантовый выход.
- •Характеристики излучающих диодов.
- •Особенности характеристик светоизлучающих диодов.
- •Материалы и конструкции излучающих диодов.
- •Задание к лабораторной работе «Изучение характеристик излучающего диода»
Инжекция носителей заряда в излучающем диоде.
Для создания избыточных носителей заряда в активной области излучающего диода используется инжекция носителей заряда через р-n-переход. При пропускании прямого тока в n- и p- области диода инжектируются неосновные носители заряда и концентрация их в прилегающих к p-n – переходу областях становится выше равновесной. Излучение, возникающее в результате рекомбинации инжектированных избыточных носителей заряда, называется инжекционной электролюминесценцией.
Величину электронной составляющей плотности прямого инжекционного тока через p-n-переход можно зописать следующим образом:
jn=e (25)
где - коэффициент диффузии электронов;
- время жизни электронов;
- диффузионная длина электронов;
- равновесная концентрация электронов в р-области диода;
- собственная концентрация носителей заряда;
v - напряжение, приложенное к p-n-переходу.
Аналогичное выражение может быть записано для дырочной составляющей плотности тока инжекции: jp=e exp( ) (26)
Если остальными составляющими прямого тока через p-n-переход (рекомбинационный, туннельный и др.) можно пренебречь по сравнению с jn+ jp , то долю электронной составляющей jn в полной плотности тока j можно представить в виде:
jинжn= (27)
а долю дырочной составляющей – в виде:
jинжp= (28)
Величины jинжn и jинжp называются эффективностями инжекции, соответственно, электронов и дырок.
Из формул (27) и (28) видно, что эффективность инжекции носителей заряда того или иного знака зависит от соотношения уровней легирования p- и n- областей излучающего диода. Изменяя концентрации акцепторов Na и доноров Nd , можно изменять направление преимущественной инжекции и, соответственно управлять расположением области излучательной рекомбинации (т.е. активной области излучающего диода) относительно металлургического p-n-перехода.
Для получения максимальной мощности излучения целесообразно обеспечить инжекцию неосновных носителей заряда в ту область диода, которая характеризуется наибольшим внутренним квантовым выходом люминесценции ηi. Если, например, такой активной областью является область р-типа, то эффективную инжекцию электронов в эту область можно обеспечить при условии Na<<Nd (рис.4,а). Однако этот путь повышения jинжn не всегда является оптимальным. При значительном увеличении концентрации донорной примеси Nd сужается область объемного заряда, растет концентрация в ней дефектов кристаллической структуры, что приводит к возрастанию туннельных (т.е. безызлучательных) составляющих прямого тока через p-n-переход. С другой стороны, уменьшение концентрации акцепторов в активной р-области снижает темп излучательной рекомбинации электронов и величину внутреннего квантового выхода ηi (см. выражения (4), (7), (14)).
Более удобным способом управления инжекцией является использование в излучательном диоде, вместо p-n-перехода, контакта двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны – гетероперехода (рис.4,б). N-p-гетеропереход позволяет обеспечить одностороннюю инжекцию носителей заряда в область с меньшей шириной запрещенной зоны (на рис.4,б – р-область) даже при сравнимых (и умеренных) уровнях легирования р- и N-областей диода. Это связано с различной высотой барьеров для инжектируемых электронов и дырок.
Использование в излучающем диоде структуры с двумя гетеропереходами: анизотипным p-N-гетеропереходом и изотипным P-p-гетеропереходом (рис.4,в) позволяет ограничить область рекомбинации инжектированных носителей с обеих сторон. В такой P-p-N-гетероструктуре называемой двойной гетероструктурой, достигается более высокая концентрация избыточных носителей заряда в активном слое и более высокий темп их рекомбинации (при заданной величине прямого тока).
Рис. 4. Энергетические диаграммы излучающих структур.
Структуры с гетеропереходами (см.рис.4,б,в), особенно двойная гетероструктура, обладают и другим важным преимуществом перед обычным p-n-переходом. Рекомбинационное излучение, родившееся в узкозонном активном р-слое, выходит из структуры через широкозонные эмиттерные N- или P-слои, не поглощаясь, поскольку энергии кванта света не достаточно для возбуждения переходов электронов в этих областях структуры.