НАПІВПРОВІДНИКОВА ЕЛЕКТРОНІКА Лекція 14 C вітлодіоди

університету імені Тараса Шевченка

твердому тілі.
1. Фотон може поглинутись в результаті переходу електрона з

заповненого стану валентної зони в вільний стан зони провідності.
2. Фотон може стимулювати випромінювання подібного собі фотона, визиваючи перехід електрона з заповненого стану в зоні провідності в вільний стан валентної зони.
3. Можуть також виникати спонтанні зворотні переходи електронів з зони провідності на вільні стани валентної зони, що визиває випускання фотона.

Інтенсивність спонтанного випромінювання залежить від густини заповнених станів в зоні провідності і густини вільних станів в валентній зоні:

– матричний елемент переходу; NC- густина станів в зоні провідності; NV - густина станів в валентній зоні; FC(E) і FV(E) - функції розподілу Фермі-Дірака для електронів і дірок відповідно.

Спектр спонтанного випромінювання зазвичай має вид

де Eg - ширина забороненої зони.

правило k– відбору. Хвильовий вектор k1, що відповідає хвильовій функції

валентної зони, і хвильовий вектор k2, що відповідає хвильовій функції зони провідності, повинні відрізнятися на хвильовий вектор фотона, тобто матричний елемент дорівнює нулю. Оскільки хвильовий вектор електрона суттєво перевищує хвильовий вектор фотона, правило k - відбору зазвичай записується в виду рівності

k1=k2


Дозволеними є переходи, при яких початковий і кінцевий стан характеризуються однаковими хвильовими векторами; такі переходи називаються «прямими» або «вертикальними». Якщо мінімум зони провідності і максимум валентної зони не відповідають одному і тому ж значенню вектора k , то для збереження квазиімпульса при переходах необхідна участь фонона; ці переходи називаються «непрямими».

К і температурна залежність енергії максимуму (суцільна лінія) і рівнів

напівширини спектра випромінювання (штрихові криві) (б).

конкуруючі безвипромінювальні процеси. Квантова ефективність люмінесценції визначається як відношення кількості

збуджених носіїв, що дають вклад у випромінювання, до повної кількості носіїв, що приймають участь у рекомбінації, і може бути виражена через часи життя наступним чином:

де r і nr - часи життя випромінювальної і безвипромінювальної рекомбінації відповідно, а Rr і R -швидкості випромінювальної і повної рекомбінації. Для напівпровідникових шарів p-типу провідності швидкості рекомбінації і часи життя зв’язані співвідношенням

Аналогічно для шарів n–типу

де n0 і p0 - концентрації електронів і дірок в стані теплової рівноваги, а n і p – електронна і діркова концентрації при оптичному збудженні.

Час життя неосновних носіїв задається виразом

від температури. На вставці показаний поперечний переріз пристрою, що використовується

для вимірювання ефективності.

діоди зі спектром випромінювання, що включає діапазон видимого світла.
Світлодіоди- це

p-n переходи, які при прямому зміщенні можуть випромінювати спонтанне випромінювання в ультрафіолетовій, видимій і інфрачервоній ділянках спектру.

0,39<<0,77мкм

(МКО) для стандартного фотометричного спостерігача. Позначені основні кольорові зони видимого

випромінювання.

h1,8 еВ; <0,7мкм
max=0,555 мкм.

Ефективність дії світла на око людини визначається функцією відносної видимоcті ока V(), яка залежить від довжини хвилі.

Ефективність використання променевої енергії при зоровому сприйнятті характеризується яскравістю променевої енергії.

1 Вт променевої енергії в максимумі чутливості ока (max=0,555 мкм) відповідає 680 лм.

(X) мінімумів зони провідності від складу GaAs1-xPx і енергетична зонна

структура GaAs1-xPx (б). Значення складу, що відповідають червоному (x=0,4), померанчевому (0,65), жовтому (0,85) і зеленому (1,0) світлу.

GaAs1-xPx

В діапазоні 00,45 напівпровідник стає непрямозонним.

В прямозонних матеріалах процес випромінювальної рекомбінації є домінуючим. В той час як для GaAs1-xPx при x>0,45 і GaP, в яких заборонена зона непряма, ймовірність міжзонних переходів надзвичайно мала, оскільки в цьому випадку для перетворення квазиімпульса при переході потрібна участь фононів або інших факторів розсіювання.

випромінювання (б), від складу при наявності і відсутності ізоелектронної домішки

азоту.

Для підсилення випромінювальних процесів в непрямозонних напівпровідниках , таких, наприклад, як GaP, спеціально створюють рекомбінаційні центри.

впровадження спеціальних домішок, наприклад азоту. Азот, введений в напівпровідник, заміщує

атоми фосфора в вузлах гратки. Це приводить до виникнення поблизу зони провідності електронного центру захоплення. Отриманий таким чином рекомбінаційний центр називається ізоелектронним центром. В нормальному стані ізоелектронні центри нейтральні. В матеріалі p типу інжектований електрон спочатку захоплюється на центр. Заряджений вд’ємно центр потім захоплює дірку з валентної зони, формуючи зв’язаний екситон. Наступна анігіляція цієї електронно-діркової пари приводить до народження фотона з енергією, приблизно рівною різниці між шириною забороненої зони і шнергією зв’язку центра. Так як захоплений електрон сильно локалізований на центрі, його імпульс розсіюється.

Наявність азоту забезпечує більш високі значення ефективності при x>0,45, однак остання все ж постійно зменшується з ростом x внаслідок збільшення різниці глибин прямої і непрямої заборонених зон. Крім того, довжина хвилі максимуму випромінювання для з’єднань легованих азотом, зміщується під впливом енергії зв’язку ізоелектронного центра.

і прозорою (б) підкладками.
Серед світлодіодних структур основною є структура з

плоскою геометрією.

Зазвичай прямозонні світлодіоди (червоне випромінювання) формуються на підкладках GaAs, тоді як непрямозонні (померанчеве, жовте і зелене випромінювання - на підкладках GaP.

Фотони, що генеруються в області переходу, випромінюються в усіх напрямках, однак спостерігача досягає лише та їх частина, яка проходить через поверхню.

світлодіода;
- втратами за рахунок відбивання;
- втратами за рахунок повного внутрішнього

відбивання.

Втрати повязані з поглинанням дуже суттєві на підкладках GaAs, оскільки в цьому випадку підкладка непрозора для світла і поглинає приблизно 85% фотонів, що випромінюються переходом. В світлодіодах на підкладках GaP фотони, що випромінюються в напрямку тилового контакта, можуть відбиватися від нього, причому поглинання складає 25%.

Втрати відбивання. При нормальному падінні світла коефіцієнт відбивання дорівнює

Третій фактор обумовлений повним внутрішнім відбиванням світла, що падає на границю розділу під кутом більшим ніж критичний c, що визначається виразом

Для GaAs з n2=3,66 критичний кут становить 16, а для GaP з n2=3,45 від рівний 17.

Повна ефективність перетворення електричного сигналу в оптичний надається виразом
де P–

потужність на входу; 4n2n1/(n2+n1)2 - коефіцієнт предачі рівний 4n2/(n2+1)2 для границь розділу напівпровідник –повітря; (1-cosc) - тілесний кут; ()- швидкість генерації фотонів в одиницях фотон/(с см2); R1 - коефіцієнт відбивання від тилового контакту; () і x - відповідно коефіцієнт поглинання і товщина p- i n- областей приладу.

Для сферичних структур тілесний кут дорівнює 1.

Таким чином співвідношення ефективностей рівне

при n2>>1.

Для структур на GaP з n2=3,45 при даній геометрії можна очікувати збільшення ефективності на порядок величини.

(в) геометрії.

сполуки типу A3B5 – інфрачервоні світлодіоди;

GaAs0,6P0,4 , GaP(ZnO) – червоні

світлодіоди;
GaAs1-xPx, GaP(N) – померанчеві, жовті, зелені світлодіоди;

ZnS, SiC – голубі світлодіоди;

GaN – фіолетові світлодіоди.

Зі збільшенням довжини хвилі 0, що відповідає максимуму спектру випромінювання, збільшується також і напівширина спектра. Це обумовлено тим, що ширина спектра спонтанного випромінювання пропорційна 02.

і енергетичні рівні перетворення (б)
Оцінка яскравісного еквіваленту випромінювання.
Спектральна

характеристика чутливості ока повинна враховуватись при оцінках ефективності візуального сприйняття випромінювання від різних світло діодів з відомими значеннями енергії випромінювання.

Яскравісний еквівалент випромінювання (Y) має вид

де L0– максимальне значення яскравості, рівне 680 лм/Вт; V() - функція відносної видимості ока; P()- спектр випромінювання

7-сегментний (цифровий);
б- матричний 3х5 (цифровий);
в- 14-сегментний (алфавітно-цифровий);
г-

матричний 5х7 (алфавітно-цифровий).

який розміщений на одній контактній площадці.
I2/I10,1-1
I2/I110-3

має малу площу і високу випромінюючу здатністьі суміщений з скловолокном,

и світлодіод з випромінюючою гранню на основі подвійної гетероструктури (б).

Eg<1,5 еВ

GaAs, GaxIn1-xAs1-yPy

GaAs – AlxGa1-xAs

Інфрачервоні світло діоди є перспективними джерелами для волоконно-оптичних ліній зв’язку.

d=15-100 мкм

d=10-15 мкм

структура світлодіода.
Порівняння світлодіодів і лазерів
Переваги світлодіодів:
-висока робоча температура;
-менший вплив температурина

потужність випромінювання;
-простота конструкції і схеми харчування.

Недоліки світлодіодів:
-менша яскравість;
-нижчі частоти модуляції;
-більша спектральна ширина лінії випромінювання;

для свідлодіодів =10-50 нм
для лазерів =0,01-0,1 нм

частота світлодіода
Для досягнення високих значень fc необхідно зменшувати товщину рекомбінаційної

області і збільшувати концентрацію носіїв.

Для p - типу

Для n - типу