Физические основы работы светоизлучающих диодов (стр. 2 из 4)

η_опт = P_изл P_ген

Таким образом, внешний квантовый выход η_опт - это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции γ, электролюминесценции η_э и вывода излучения η_опт в создании оптического излучения. Иначе, внешний квантовый выход η. определяется отношением числа излучаемых квантов к числу проходящих за то же время через СИД носителей заряда:

η = N_ф N_э

СИД на основе гетероструктур. Наилучшие параметры излучения имеют СИД, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Рассмотрим основные особенности гетероструктуры более подробно, так как она является базой для изготовления многих типов оптоэлектронных приборов.

Гетеропереходом называют переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности, и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовать четыре гетероструктуры: p₁-n₂, n₁-n₂, n₁-p₂, p₁-p₂ Здесь индекс 1 относится к полупроводнику с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник), а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник).

При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетероструктуры в равновесном состоянии единый. На рис. 2 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs-GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии

Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2 -электронами). Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место. односторонняя инжекция - только электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой. Наряду с одинарной в СИД используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широкозонный Р₃-слой того же, что и база, типа проводимости (рис. 3). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны). Избыточная, концентрация носителей в активной, (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход 3-4% а время переключения 40-80 не; двойные гетероструктуры имеют примерно такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения 20-30 нс. Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-n переходов.

Рис 4. Спектральные характеристики базы и эмиттера гетероструктуры

Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область

длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 4). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись, от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Очевидно, что многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.

Излучательная характеристика

В зависимости от способа приема излучения СИД — визуального или невизуального — оптические свойства СИД описываются световыми или энергетическими параметрами. При визуальной передаче информации от СИД в случае их применения в знаковых индикаторах, при подсветке надписей и пусковых кнопок, для индикации состояния электронного в устройства и т.п. приемником излучения служит человеческий глаз. Невизуальная передача информации характеризуется тем, что обнаружение потока излучения от СИД, работающего обычно в ИК-диапазоне (ИК-диод), исключает человеческое зрение и осуществляется физическим фотоприемником. К невизуальной области применения СИД относятся, например, устройства считывания с перфокарт и перфолент вычислительных машин, всевозможные оптические устройства связи и сигнализации.

Эффективность СИД характеризуют зависимостями параметров оптического излучения от прямого тока через СИД и от длины волны излучения. Зависимость потока излучения Ф_е от прямого тока I_пр приводится для ИК-диодов и называется излучательной характеристикой (рис. 5). Для СИД визуального применения излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света I_υ от прямого тока I_пр. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через СИД, а не напряжение на СИД. Это связано с тем, что р-n переход СИД включен в прямом направлении и электрическое сопротивление СИД мало. Поэтому можно считать, что, прямой ток через СИД задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется.

При малых токах I_пр велика доля рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции в соответствии с выражением мал. С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.

Рис. 5. Излучательная характеристика СИД:

1 — участок характеристики при малых токах;

2 — участок характеристики при больших токах.

Дальнейшее увеличение I_пр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции, и снижению излучательной способности СИД. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором определенном токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р-n перехода и от размеров электрических контактов.

Спектральная характеристика

Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой СИД. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Длина волны λ_max излучения светодиода определяется по формуле:

где h – постоянная Планка, с – скорость света, E – ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если λ_max измеряется в мкм, а Е – в Эв.