Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Технологический институт

Кафедра физики, методов контроля и диагностики

Физика твёрдого тела, часть 3

Методические указания

к лабораторным работам по дисциплине «Физика»

лабораторные работы №№ 7-6  7-8)

для студентов технических направлений подготовки

очной и заочной форм обучения

Тюмень

ТюмГНГУ

2012

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Поставили лабораторные работы и составили методические указания преподаватели кафедры физики Тюменского государственного нефтегазового университета:

лабораторную работу № 7-6	-	О.С. Агеева, к.т.н., доцент, Т.Н.Строганова, к.ф-м.н., доцент,
лабораторную работу № 7-7	-	К.С.Чемезова, д.х.н., профессор, О.С. Агеева, к.т.н., доцент,
лабораторную работу № 7-8	-	О.С. Агеева, к.т.н., доцент, К.С.Чемезова, д.х.н., профессор, Т.Н.Строганова, к.ф-м.н., доцент

Редакторы: О.С.Агеева, Т.Н.Строганова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012

Лабораторная работа №7-6 электролюминесценция Вp-n– переходе

Цель работы: Исследование инжекционной электролюминесценции в электронно-дырочном переходе.

Содержание работы:

• изучение устройства и принципа действия светоизлучающих диодов;

• исследование вольт-амперной и яркостной характеристик светодиода.

1. Постановка задачи

По определению С.И.Вавилова, люминесценцией называют излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и имеющее длительность, значительно большую периода колебаний испускаемых электромагнитных волн.

Электролюминесценция – это излучение света веществом под действием электрического поля. В твердых телах может наблюдаться два вида электролюминесценции:

• инжекционная электролюминесценция - в p-n - переходе под действием постоянного поля (эффект Лосева) - изучается в данной работе;

• электролюминесценция кристаллов в переменном поле (эффект Дестрио) , в нашем практикуме изучается в лабораторной работе №7-3.

Впервые инжекционная электролюминесценция наблюдалась О.В. Лосевым в 1923 г. на карбиде кремния. Полупроводниковые приборы, основанные на этом явлении, получили название светоизлучающих диодов, (или просто светодиодов); если излучение происходит не в видимом, а инфракрасном диапазоне, приборы называют излучающими диодами.

1.1 Принцип действия светодиода

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 называют излучающими, 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. Излучение светодиодовнекогерентно.

Основой светодиода является электронно-дырочный переход (p-n - переход), возникающий при контакте двух полупроводников p- и n- типа. При приложении к p-n - переходу электрического поля в прямом направлении (“+” к p- области, а “-” к n- области) возникают встречные диффузионные потоки электронов и дырок. Через p-n - переход дырки движутся из p- области в n- область, а электроны из n- области в p- область, т.е. наблюдается инжекция основных носителей заряда (рис.1).

Инжектированные носители заряда рекомбинируют либо в самом переходе, либо вблизи него. Рекомбинация сопровождается излучением квантов света. При этом через p-n - переход протекает прямой ток, который является мерой инжекции. Чем больше инжектировано основных носителей через р-n - переход, тем больше актов рекомбинации происходит в единицу времени, тем больше яркость свечения. Поэтому яркость свечения пропорциональна величине прямого тока.

В данной работе исследуется светодиод красного свечения на основе фосфида галлия, легированного цинком и кислородом (GaP: Zn, O). Энергетическая диаграмма этой структуры приведена на рис.2. 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.

Комплекс Zn-O ведет себя как электронная ловушка, уровень которой E_Л отстоит от дна зоны проводимости примерно на 0,3 эВ. Кроме того, атомы цинка создают мелкие акцепторные уровни (E_а) вблизи потолка валентной зоны (E_V).

На рис.2 также показана одна из возможных схем рекомбинации. Электрон, оказавшийся в результате инжекции через p-n - переход в зоне проводимости, 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. Возможны также и другие процессы.