Внешний квантовый выход и потери излучения

Инжекционная электролюминесценция является физиче­ской основой работы излучающих полупроводниковых дио­дов. Термином «излучающие диоды» охватывают диоды, ра­ботающие в диапазоне видимого излучения, – это светоизлучающие диоды (СИД) (используются для визуального отображения информации) и диоды, работающие в инфра­красном диапазоне оптического излучения, – инфракрасные излучающие диоды (ИК- диоды).

Излучающий диод – основной и наиболее универсаль­ный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обу­словливает следующие его достоинства: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узкий спектр излучения (квазимонохроматич­ность) для одного типа диодов, с одной стороны, и перекры­тие почти всего оптического диапазона излучения диодами различных типов – с другой; высокая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения пря­мого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высокое бы­стродействие; малые габариты, технологическая совмести­мость с микроэлектронными устройствами, высокая надежность и долговечность.

Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом

h = gh_э h_опт, (2.76)

где g – коэффициент инжекции;

h_э – внутренний кванто­вый выход;

h_опт – оптическая эффективность или коэффи­циент вывода света.

Произведение gh_э определят эффективность инжекционной электро­люминесценции. Однако даже при большом значении gh_э внешний квантовый выход может оказаться малым вслед­ствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду. При выводе излучения из активной (излу­чающей) области диода имеют место потери энергии.

1. Потери на самопоглощение (излучение 1). При погло­щении полупроводником фотонов их энергия может быть передана электронам ва­лентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фото­нов свободными электро­нами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фотонов расходуется так­же на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в по­лупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой, поглощение с переходом элек­тронов с акцепторного на донорный энергетический уровень и некоторые другие виды поглощения.

2. Потери на полное внутреннее отражение (излучение 2). При падении излучения на границу раздела оптически бо­лее плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для частиц излучения выполняется усло­вие полного внутреннего отражения. Эта часть излучения, отразившись внутри кристалла, в конечном счете теряется за счет самопоглощения.

Рис. 2.17. Потери оптического излучения при выходе во внешнюю среду

Излучение, падающее на поверхность раздела под уг­лом Q, превышающим критический угол Q_кр, претерпевает полное внутреннее отражение; при Q < Q_кр излучение частич­но отражается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщины и показателями преломления, то она будет оказывать просветляющее действие, и коэффициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменится.

3. Потери на обратное и торцевое излучение (3 и 4). Генерация в активной области полупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Излучение 3, распространяющееся в сторону эмиттера, быстро поглощается.

Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от соседних областей. Поэтому излучение 4 вследствие многократных отражений фокусируется вдоль активной области, так что интенсивность торцевого излучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла.

Эффективность выхода оптического излучения из диода характеризуется коэффициентом выхода h_опт и определяется отношением мощности выходящего излучения к мощности излучения, генерируемого внутри кристалла

h_опт = Р_изл/ Р_ген. (2.77)

Таким образом, внешний квантовый выход h – это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции γ, электролюминесценции h_э и вывода излучения h_опт в создании оптического излучения.