Порядок выполнения работы

1. Установить фотодиод, и для различных освещённостей снять вольт-амперные характеристики фотодиода. Построить графики ВАХ.

2. Снять спектральную характеристику фотодиода, используя различные светофильтры.

3. Получить релаксационную кривую фотодиода. Оценить переходные процессы в p-n переходе.

4. Проделать пункты 1-3 при повышенной температуре. Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Описать процессы в освещённом p-n переходе.

2. Назвать характеристики фотодиода.

3. Описать сущность фотовольтаического эффекта.

4. Описать различные типы фотодиодов (pin, лавинные, на барьере Шотки).

5. Объяснить преимущества и принципы работы гетеропереходов.

Таблица 2

Список литературы

1.Павлов П.В., Хохлов А.Ф.Физика твёрдого тела.- М.: Высш.шк., 1994.-360с.

2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника - М.: Радио и связь, 1990.-360с.

3. Щука А.А. Функциональная электроника – М.: МиРЭА, 1998. – 260с.

Светодиоды

Цель работы: изучение основных физических закономерностей, определяющих работу полупроводниковых светодиодов. Исследование характеристик таких приборов.

Светодиоды представляют собой двуэлектродный светоизлучатель-ный прибор, основу которого составляет p-n переход (рис.1). Одна из областей p-n структуры, например, n^- , называемая эмиттером светодиода, легируется сильнее, чем другая область, называемая базой. Поэтому при прохождении прямого тока носители инжектируются преимущественно из эмиттера в базу. Кроме того, в базовую область вводятся примеси, которые способствуют рекомбинационной генерации света. Таким образом, база в светодиоде является светоизлучающей областью, а эмиттер - поставщиком неравновесных носителей (в нашем случае электронов) в эту область.

Рис.8. Светодиод

При подаче на p-n переход напряжения V в прямом направлении, т.е. когда к p-области подключается “+” источника, а к n—области “-“, контактная разность потенциалов v_k в переходе уменьшается и происходит инжекция электронов из n- в р-область и дырок из p-области в n-область. Эти инжектированные носители будут неравновесными (и неосновными) для соответствующих областей. Диффундируя в глубь областей, они рекомбинируют с основными носителями заряда, причем электроны в базе - преимущественно излучательно, а дырки в эмиттере - безызлучательно. Так как концентрация избыточных электронов в p-области будет спадать с расстоянием от перехода X как exp(-X/L_n), где L_n - диффузионная длина, генерация света происходит в объеме базовой области, непосредственно примыкающей к переходу. Дырочная составляющая I_P суммарного тока через переход I=I_n+I_P, где I_n - электронная составляющая, является бесполезной, так как дырки в эмиттере рекомбинируют без генерации света. Увеличивая степень легирования эмиттера по сравнению с базой, можно увеличить коэффициент инжекции

g_i = I_n /(I_n+I_P) (48)

и тем самым – относительное число актов излучательной рекомбинации.

Одностороннюю инжекцию, при которой g_i будет близко к единице, можно осуществить в гетеропереходах. Ввиду того, что эти переходы широко применяются для изготовления светоизлучающих приборов, в особенности полупроводниковых лазеров, рассмотрим их основные свойства.

В отличие от обычного (гомогенного) р-n перехода, образуемого в одном и том же монокристалле путем соответствующего распределения примесей, гетеропереход получается при контакте двух различных полупроводников. В зависимости от содержащихся примесей оба полупроводника могут иметь как одинаковый тип проводимости ("изотипные" гетеропереходы, например, структуры n-n⁺ , p-p⁺ и др.), так и разный ("анизотипные" переходы р-n, р-n⁺ и т.д). Рассмотрим для определенности анизотипный переход, образованный широкозонным полупроводником p-типа и узкозонным n-типа. На рис.9а показана энергетическая диаграмма обоих полупроводников до образования перехода. Через E_g, W и F обозначены ширины зон, работа выхода электронов и уровни Ферми, соответственно. После создания гетероперехода получается энергетическая диаграмма, показанная на рис.9. В отсутствие тока уровень Ферми в обоих полупроводниках становится одинаковым и между ними возникает контактная разность потенциалов v_k=(W_P - W_n)/е. Так как электронное сродство X_P и X_n в общем случае различно, то на границе перехода X=О, в отличие от обычного р-n перехода, возникает разрыв в зоне проводимости DE_C. Разрыв также образуется и в валентной зоне. В зависимости от соотношения между X_P и X_n , с одной стороны, и шириной запрещенных зон E_gp и Еgn с другой, эти разрывы могут иметь либо вид “стенки” (Dе_с), либо вид “крючка” (DE_V ). При подаче на переход внешнего напряжения в прямом направлении (“+” к р-области, “-“ к n ) происходит раздвижка уровней Ферми на величину e_V, и контактная разность потенциалов также уменьшается на эту величину (рис.10). Но даже при уменьшенной контактной разности потенциалов инжекция электронов из n- в p-область затруднена наличием для них на границе потенциального барьера. В то же время инжекция дырок из р-в n-область происходит почти беспрепятственно, так как размеры барьера типа “крюк” малы (меньше длины волны де Бройля носителей) и дырки свободно проходят его. Таким образом, в гетеропереходе осуществляется односторонняя инжекция носителей.

Преимущества гетеропереходов для создания светоизлучающих приборов в наибольшей степени реализуются в двухсторонней гетероструктуре (ДГС) (рис.11).В этой структуре используется два гетероперехода: анизотипный n-p , и другой — изотипный р—p⁺, причем области большего легирования (р⁺) соответствует более широкозонный материал. Из рис.11 видно, что в такой структуре можно получить ограничение неравновесных носителей (электронное ограничение ) в узкозонной области толщиной d. Эта область является светоизлучающей.

Таким образом, в ДГС можно существенно понизить потери на безызлучательную рекомбинацию. Кроме того, в такой структуре облегчается вывод света из прибора, так как он излучается средним узкозонным материалом и, следовательно, не поглощается в соседних областях с широкими запрещенными зонами. И, наконец, резкое изменение концентрации носителей на гетеропереходах приводит к сильному изменению показателя преломления на границах среднего слоя и, тем самым, к приданию этому слою волноводных свойств. Это явление называют оптическим ограничением. Следует также отметить, что волноводными свойствами обладают и обычные гомогенные p-n переходы.

Предпробойные светодиоды. В этом типе светодиода неравновесные носители создаются за счет процессов ударной ионизации атомов решетки. Для таких процессов требуются электрические поля высокой напряженности (5.10⁵-10⁶ В/cм). Подобные поля создаются при небольшом обратном напряжении в p-n переходах с шириной области объемного заряда порядка 10^-5см.

Рис.9. Анизотипный гетеропереход

Свободные носители заряда, термогенерируемые как в самом переходе, так и вблизи него на расстоянии порядка длин диффузии L_n и L_р, ускоряются сильным полем перехода и могут приобрести кинетическую энергию, достаточную для возбуждения или ионизации атомов решетки. Возникшие при ионизации атомов решетки носители могут вновь ускоряться, если протяженность области высокого поля достаточна для этого. В предельном случае возникает лавина носителей, т. е. наступает электрический пробой р-n перехода. Спектр излучения р-n переходов, включенных в обратном направлении, состоит в общем случае из широкой полосы, простирающейся в область hn > E_g, и более узких полос, проявляющихся сильнее при низких температурах и содержащих кванты с E_g ³ hn. Эти же сравнительно узкие полосы присутствуют обычно в спектре излучения р-n перехода, включенного в прямом направлении. В арсениде галлия узкая полоса соответствует энергии квантов hn @ E_g, в GaP- hn > E_g . В последнем случае полосы появляются на фоне сплошного спектра только при температуре Т<14ОК, растут по мере уменьшения Т и связаны, по-видимому, с рекомбинацией неравновесных носителей через донорно—акцепторные пары. Широкая же полоса с hn>E_g образуется в результате наложения двух процессов: прямой рекомбинации быстрых электронов и дырок и внутривенных переходов в валентной зоне.

Материалы, применяемые для изготовления светодиодов, выбираются так, чтобы их спектральный диапазон излучения полностью или частично лежал в видимой области. Видимая область определяется чувствительностью человеческого глаза и лежит в диапазоне длин волн фотонов l от 0,38 мкм (фиолетовый-ультрафиолетовый свет) до 0,78 мкм (красный-инфракрасный свет). Этот диапазон длин волн соответствует фотонным энергиям, лежащим в интервале 1,7 — 3,1 эВ. Кроме того, для практических целей часто оказывается желательным, чтобы и спектральные распределения излучения соответствовали спектральной чувствительности глаз. Так как максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации носителей, равна ширине запрещенной зоны данного полупроводника E_g, вышеприведенным требованиям могут удовлетворить только полупроводники с e g > 1,7 эВ (широкозонные полупроводники). Поэтому, например, такие распространённые материалы, как германий Ge (Е_g - 0,66 эВ) и кремний Si (E_g=1,12 эВ) для изготовления светодиодов не используются.

Основными полупроводниковыми материалами, применяющимися в настоящее время для изготовления светодиодов, являются фосфид галлия GaР (E_g = 2,26 эВ), карбид кремния SiС (E_g=2,4 - 3,2 эВ в зависимости от политипа), твердые растворы GaАs_X P_i - x и GaAl_xAs_1-x. Для современных серийных излучающих диодов инфракрасного (ИK) диапазона основным материалом является арсенид галлия GаAs с E_g=1,44 эВ.

Большинство полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления светодиодов, кроме главного максимума излучения, имеют и побочные максимумы, которые иногда оказываются значительно сдвинутыми относительно главного. Если такой побочный максимум попадает в инфракрасную область спектра, то это приводит к снижению КПД, а цвет излучаемого света остается неизменным. Если же побочный максимум располагается в видимой части спектра, то при этом может произой­ти значительное изменение цветовой тональности. В частности, GaP в зависимости от вида легирующей примеси может иметь максимумы в ИК, красной и зеленой областях спектра. Изменяя концентрацию и тип вводимых в полупроводник примесей, можно добиться повышения одного из максимумов излучения относительно других. Так фосфид галлия, легированный цинком и кислородом, эффективно излучает красный свет. Добавление же в GaP изоэлектронной (т. е. имеющей такую же валентность, что и основные атомы вещества) примеси азота N усиливает излучение в зеленой части спектра.