Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Существует два типа полупроводниковых источников излучения: источники некогерентного излучения - светодиоды и источники когерентного излучения - лазеры. Наибольшее практическое распространение получили источники излучения на основе р-п -перехода.
Светодиоды.
Излучение возникает вследствие рекомбинации инжектированных носителей в одной из частей р-n- перехода (часть р- или n-области, прилегающая к границе раздела р-n-перехода). Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние, при этом переходы могут быть двух типов - прямые (без изменения импульса) и непрямые (с изменением импульса). Межзонные переходы между минимумом зоны проводимости и максимумом валентной зоны сопровождаются эффективным излучением, если переходы прямые, т. е. минимум и максимум расположены при одном значении волнового вектора k. Такие переходы осуществляются, например, в арсениде галлия при k = 0.
В полупроводниках с непрямыми переходами вероятность межзонных переходов незначительна. Тем не менее излучательная рекомбинация в них может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя одного знака на относительно длительное время на примесном центре и затем его рекомбинация со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров, например, в фосфиде галлия выступают комплексы донор-акцептор (Zn = 0) или нейтральные изоэлектронные ловушки (атом N вместо атома Р в решетке GaР).
Длина волны излучения при переходе носителя с уровня Е2 на уровень Е1
λ=с/ν = сh/(Е2 - Е1) = 1,24/ (Еg - ΔЕ),
где λ - в мкм; ΔЕ- глубина залегания примесного уровня, эВ. При межзонной рекомбинации ΔЕ=0. В реальных полупроводниках рекомбинация происходит не между электронами и дырками на двух уровнях, а между электронами и дырками, расположенными на двух группах уровней, вследствие чего спектр излучения оказывается размытым. Поэтому приведенная выше формула определяет лишь длину волны в максимуме спектра излучения λmax.
Основной характеристикой светодиодов является внутренняя квантовая эффективность ηвнт (отношение числа возникших фотонов к числу инжектированных в базу носителей) и внешняя ηвнш (отношение числа фотонов, выходящих из светодиода, к полному числу носителей заряда, протекающих через него).
К уменьшению ηвнт приводят безызлучательная рекомбинация на дефектах структуры и поглощение фотонов в самом полупроводнике (самопоглощение), так как энергия фотонов близка к Еg. Первые образцы светодиодов создавались на основе n-GаАs, р-область в котором образовалась диффузией цинка. Большое число дефектов в такой структуре возникало вследствие необходимости сильного легирования п-области (n+ -p- переход) для достижения достаточного коєффициента инжекции, с одной стороны, и необходимостью сильного легирования р-области - с другой, так как темп излучательной рекомбинации пропорционален концентрации основных носителей в р-области. Поэтому ηвнт не превышало 1 ... 2%. Значительно большим ηвнт (до 20-28%) обладают наиболее распространенные в настоящее время светодиоды, создаваемые эпитаксиальным наращиванием арсенида галлия, легированного кремнием (р-тип) на n-GаАs. Это обусловлено как большим совершенством кристаллической структуры, так и тем, что область сильно компенсированного кремнием полупроводника излучает кванты света с энергией 1,31 ... 1,34 эВ, меньшей Еg некомпенсированного арсенида галлия, что уменьшает самопоглощение при выводе излучения через n-область.
В еще лучшей степени указанные проблемы решаются применением гетеропереходов.
В табл.1 приведены основные материалы, используемые в настоящее время для создания светодиодов, обладающих наилучшими показателями в соответствующих областях спектра. Параметр ηвнш существенно зависит от технологии и с ростом ее уровня может быть значительно увеличен.
Для получения коротковолнового излучения необходимо использовать полупроводники с большей шириной запрещенной зоны. Однако технологические проблемы создания р-n-переходов в них еще не решены. Поэтому одним из способов создания коротковолновых светодиодов является использование контакта металл - полупроводник, включаемого в обратном направлении. В начальном участке лавинного пробоя происходит ударная ионизация полупроводника с образованием электронов и дырок, рекомбинация которых и обеспечивает возникновение излучения. Другим способом получения коротковолновых светодиодов является нанесение люминофоров на излучающую область ИК-светодиода. Коротковолновое излучение создается возбуждением люминесценции при поглощении ИК-излучения в пленке люминофора (кооперативная антистоксова люминесценция). В таком люминофоре имеются ионы сенсибилизаторы и активаторы. Ион сенсибилизатор, поглотив два фотона с малой энергией, передает всю энергию иону активатору, который излучает фотон с большей энергией. Используя, например, светодиод из арсенида галлия, покрытый люминофором на основе оксисульфидов лантана, удается получить яркость зеленого свечения, сравнимую с яркостью светодиодов на основе фосфида галлия. Однако КПД таких комбинированных светодиодов и быстродействие всегда мало.
Светодиоды находят, широкое применение в цифровых индикаторах и световых табло для измерительных приборов и устройств вывода информации с ЭВМ, а также в устройствах оптоэлектроники. Недалеко то время, когда на их основе будут созданы экраны для цветных телевизоров. По сравнению с обычными источниками света светодиоды имеют малые габаритные размеры, малые рабочие напряжения, высокое быстродействие (до 10^-9 с) и большой срок службы.
Литература: И.М.Викулин, В.И.Стафеев. Физика полупроводниковых приборов. М.-1990
Таблица 1. Материалы, используемые для создания светодиодов
русский / english
Главная >> Фотоэффекты, свет >> Светодиоды
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
