7.3.Инжекционная электролюминесценция. Устройство и характеристики светодиодных структур

7.3.1.Возникновение излучения в диодной структуре

Рассмотрим второй вид электролюминесценции (эффект Лосева).

При прямом включении p-n-перехода навстречу друг другу идут диффузионные потоки электронов из n – области в p-область, а дырок — из p- в n-область. При встрече электронов и дырок происходит их рекомбинация, которая может быть безызлучательной (в большинстве приборов) или излучательной. В излучающих диодах созданы условия для излучательной рекомбинации. Длины излучаемых электромагнитных волн зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника и расположения в ней рекомбинационных ловушек.

Если излучение относится к инфракрасному диапазону, то диоды называютизлучающими, а если к видимому – светоизлучающими или просто -светодиодами. Светодиоды изготовляют из карбида кремния (желтого свечения), фосфида галлия (красного и зеленого свечения), нитрида галлия (голубого свечения), а также из некоторых тройных соединений. Они используются как индикаторы и миниатюрные источники света. Излучение светодиодов некогерентно.

Рассмотрим светодиод красного свечения на основе фосфида галлия, легированного цинком и кислородом (GaP: Zn, O). Атомы кислорода и цинка, замещая соседние атомы галлия и фосфора в решетке, образуют электрически нейтральный комплекс Zn-O. С точки зрения зонной теории введение примесей приводит к возникновению дополнительных уровней энергии в запрещенной зоне (рис.7.7)

Комплекс Zn-O ведет себя как электронная ловушка, уровень которой E_лотстоит от дна зоны проводимости примерно на 0,3 эВ. Кроме того, атомы цинка создают мелкие акцепторные уровни вблизи потолка валентной зоны (E_a). На рис. 7.7 показана одна из возможных схем рекомбинации. Электрон, захватывается ловушкой (переход 1).Акцепторные центры (уровеньE_а) захватывают дырки из валентной зоны (переход 2). Рекомбинация захваченного ловушкой электрона и дырки, захваченной акцептором (переход 3), дает красное излучение.

7.3.2.Конструкция светодиода

Данный светодиод представляет собой кристалл фосфида галлия p- типа. Для создания n- области в него диффузией введены примеси. Свет излучается вблизи образовавшегося p-n - перехода при пропускании через него прямого тока (рис.7.8). Часто для уменьшения потерь на отражение при выходе света из кристалла поверхность покрывают пластиковой линзой, имеющей сферическую форму (рис.7.8б).

7.3.3.Основные характеристики светодиодов

Спектральная характеристика излучающего диода имеет вид кривой с максимумом, она приведена на рис.7.9.

Зависимость силы света для светодиодов или мощности излучения для ИК диодов от тока также является важной характеристикой излучающего прибора (рис. 7.10). При малых токах она, как правило, нелинейна, но при возрастании тока выходит на линейный или близкий к линейному участок, который используется как рабочий.

Параметры полупроводниковых излучателей как элементов электрической схемы определяются вольт-амперной характеристикой. Вольт-амперная характеристика светодиода отличается от зависимости, описываемой формулой (4.3.1), так как в данном типе приборов при прямом смещении перехода присутствует составляющая тока, обусловленная рекомбинацией носителей.

На рис.7.11 представлены вольт-амперные характеристики излучающих диодов, изготовленных из разных материалов