Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов

Физической основой полупроводниковых излучателей является инжекционная электролюминесценция. Под люминесценцией понимают в широком смысле, электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. В данном определении подчеркивается отличие люминесценции от свечения нагретых тел. Люминесценции свойственно то, что она продолжается еще некоторое время после отключения источника возбуждения. Если это время больше 10^-3 с, то люминесценция называется фосфоренцией, а если меньше чем 10^-3 с, то это флюоресценция.

Люминесценция в полупроводниках включает в себя два основных этапа. На первом этапе под воздействием возбуждающей энергии происходит генерация носителей заряда. Этот этап определяет тип люминесценции (фото- электро-, и т.д.). На втором этапе генерированные носители заряда рекомбинируют, выделяя энергию в виде оптического излучения.

Каждая рекомбинация носителя заряда при прямых оптических переходах зона-зона сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением: l=hc/E_g »1,24/E_g , (8.1)

где l - в микрометрах, а E_g - в электрон-вольтах.

В полупроводниках процесс инжекционной электролюминесценции происходит следующим образом. При наличии контакта однородных полупроводников с различными типами электропроводности уровень Ферми в равновесном состоянии должен быть единым. Это приводит к искривлению зон и образованию потенциального барьера как это показано на рис.8.1.

Рис.8.1.Схема p-n-перехода в невырож-денном полупровод-нике в отсутствии инжекции

Дырки из р-слоя, где их много, диффундируют справа налево в область перехода, но не могут преодолеть потенциальный барьер, и, проникнув в переход, снова возвращаются в р-слой, а дырки n-слоя, легко переходят в р-слой, образуя дрейфовый ток. Этот поток уравновешивается встречным диффузионным потоком дырок р-слоя, имеющих большую энергию и способных преодолеть потенциальный барьер. Аналогичная картина наблюдается и в движении электронов.

Рис. 8.2. Схема p-n-перехода в невырожденном полупроводнике при наличии инжекции

При приложении прямого напряжения в p-n-переход потенциальный барьер понижается, и появляются дополнительные диффузионные токи как дырок, так и электронов, т.е. увеличивается инжекция неосновных носителей: дырок в n-область, электронов в р-область (рис.8.2). Это увеличивает рекомбинацию носителей с излучением фотона.

Полезной компонентой тока, обеспечивающей излучательную рекомбинацию в р-базе, является электронный ток I_n, инжектируемый эмиттером. Эффективность инжекции определяется отношением I_n к полному току I и характеризуется коэффициентом инжекции g:

g=I_n/I=I_n/(I_n+I_p+I_рек+I_тун+I_пов), (8.2)

где I_p- дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией дырок в n-эмиттер; I_рек - ток безызлучательной рекомбинации в области р-n -перехода; I_тун - туннельный ток, обусловленный «просачиванием» носителей сквозь потенциальный барьер; I_пов - ток утечки по поверхности р-n -перехода.