Параметров.

Цель работы: изучение устройства и принципа работы излучающего диода,

Измерение статических характеристик светодиодов и расчет их

параметров.

ВВЕДЕНИЕ. Излучающий диод - это полупроводниковый диод на основе p-n-гомо-, гетероперехода или контакта металл - полупроводник, в котором при прохождении электрического тока генерируется некогерентное излучение в инфракрасной (ИК), видимой или ультрафиолетовой (УФ) области спектра. В соответствии с частотным диапазоном генерируемого излучения различают ИК-диоды и светодиоды.

Действие излучающего диода основано на инжекционной электролюминесценции. Люминесценция - это излучение возбужденного вещества. При электролюминесценции возбуждение активной области диода осуществляется электрическим полем, появляющимся при прямом смещении диода или при обратном в режиме лавинного пробоя. Инжектированные под действием поля в активную область - базу диода - избыточные неосновные носители заряда спонтанно рекомбинируют с основными носителями заряда с выделением энергии в виде электромагнитного излучения - осуществляется излучательная рекомбинация. Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике может быть и безизлучательной, когда выделяющаяся энергия передается третьим частицам (Оже-рекомбинация) либо фононам, что приводит к нагреву кристалла. Исключить конкурирующие безизлучательные переходы в излучающих диодах удается выбором полупроводникового материала с высокой вероятностью излучательных переходов, использованием кристаллов с более совершенной структурой и созданием идеальных выпрямляющих контактов без промежуточных слоев.

Для излучающего диода основными являются следующие механизмы излучательной рекомбинации:

1) межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полу-

проводниках;

2) рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными

изоэлектронными центрами в непрямозонных полупроводниках.

Так как процесс спонтанного излучения при рекомбинации рассматривается как явление соударения электрона и фотона, при квантовых переходах должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. В связи с этим переход зона - зона в прямозонных и непрямозонных полупроводниках осуществляется различным способом.

В прямозонных полупроводниках минимум зоны проводимости (дно) и макси-мум валентной зоны (потолок) расположены в одной и той же точке k-простран-ства (рис. 1, а); прямые переходы зона - зона происходят без изменения импульса электрона и с высокой вероятностью, а энергия кванта излучения с частотой w равна ширине запрещенной зоны полупроводника: ћw = E_g , где ћ - постоянная Планка.

Прямозонными полупроводниками являются полупроводниковые соединения типа : GaAs, InAs, InSb, GaSb; большинство соединений типа : ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe; соединения типа : PbS, PbSe, PbTe; твердые растворы на основе соединений типа в определенном диапазоне значений молярных долей x, y: Ga_xAl_1-xAs, GaAs_1-xP_x, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y .

В непрямозонных полупроводниках дно зоны проводимости и потолок валентной зоны расположены в различных точках k-пространства (рис. 1, б). При переходе с дна зоны проводимости, где импульс электрона k_с, на потолок валентной зоны, где импульс электрона ћk_v = 0, закон сохранения импульса нарушается: k_c ¹ ¹ ћ k_v + ћk_фот = 0+ ћ k_фот, так как импульс фотона чрезвычайно мал: ћ k_фот<< ћ k_c (1), где k_фот = 2π/λ, k_c = 2π/а - волновые числа фотона и электрона соответственно. Для видимого диапазона l= 0,38…0,76 мкм и постоянных решетки неорганических кристаллов а ~ 3…15 нм условие (1) выполняется всегда. Поэтому переход Е_с ® Е_v, называемый непрямым, возможен только через промежуточное (виртуальное) состояние , для которого требуется дополнительный процесс рассеяния с участием рассеивающего центра, которым может быть фонон, свободный носитель заряда или примесный атом. Энергия излученного фотона будет меньше ширины запрещенной зоны полупроводника Е_g на величину Е: ћw = Е_g - Е (рис. 1, б). Вероятность непрямых переходов гораздо меньше, чем прямых, но ее можно резко повысить введением в непрямозонный полупроводник определенных примесей. Например, при легировании непрямозонного полупроводника GaP азотом N, который замещает некоторые атомы P, или одновременно кислородом О и цинком Zn (О замещает Р, Zn - Ga), в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости Е_споявляются примесные уровни - изоэлектронные центры, которые сначала нейтральны, а затем захватывают электроны. После этого отрицательно заряженные изоэлектронные центры захватывают дырки из валентной зоны, формируя связанный экситон. Экситон - это пара носителей заряда электрон-дырка, связанных кулоновским взаимодействием. После локализации электрона и дырки, составляющих экситон, на изоэлектронном центре происходит их рекомбинация с излучением фотона с энергией ћw= Е_g - Е, где Е = Е_экс - энергия связи экситона. При этом импульс электрона передается центру и затем рассеивается. Изменение сорта примесей изменяет энергию изоэлектронного центра Е, а значит, длину волны излучения в максимуме контура спектральной линии излучения l_max: для GaP (N) l_max = (0,565…0,580) мкм

– это желто-зеленое излучение; для GaP (Zn-O) l_max = 0,700 мкм – красное излуче-

ние. Таким образом, в излучающих диодах на основе непрямозонных полупроводников значение l_max определяется типом примеси, прямозонных - шириной запрещенной зоны полупроводника.

Диапазон излучения l (ширина спектра) излучающего диода определяется

l ~ kT,

Рис. 2

От температуры (а также давления, магнитного поля) незначительно меняется и ширина запрещенной зоны Е_g полупроводника, а значит, значение l_max. С учетом зависимости Е_g (Т) для прямозонных и непрямозонных полупроводников получены коэффициенты смещения длины волны l_max при изменении температуры, равные соответственно 0,2 нм / ⁰С и 0,1 нм / ⁰С. Для излучающих диодов ширина спектра излучения при комнатной температуре l ~ 300…1400 Å, при криогенных температурах (Т< 120 К) l ~ 100…500 Å.

Излучающие диоды на основе полупроводниковых соединений типа и их трех-, четырехкомпонентных твердых растворов дают излучение от зеленого до ближнего ИК. Светодиоды голубого и синего свечения с l_max = 0,45…0,55 мкм изготавливаются из прямозонных полупроводниковых соединений с большой шириной запрещенной зоны Е_g: GaP, ZnSe, ZnS. В них из-за эффекта автокомпенсации не удается получить р-слой, поэтому используется контакт металл - полупроводник

(диод Шоттки).

Основным параметром излучающего диода является внешний квантовый выход η_вн, рассматриваемый как произведение внутреннего квантового выхода η_вт, коэффициента выхода излучения η₀ из излучающего диода (или оптической эффектив-

ности ) и эффективности инжекции g:

η_вн= η_вт× η₀× g. (2)

где Ф - поток (мощность) излучения, q - заряд электрона, I - ток через излучающий диод, с = 3 ×10⁸ м/с - скорость света.

Коэффициент полезного действия равен

h = Ф/ IU , (4)

где U - приложенное к диоду напряжение.

Для определения параметров η_вн, η_вт, h необходимо измерять абсолютную мощность излучения, проинтегрированную по всем направлениям. Поскольку диод всегда имеет подложку и подводящие контакты, часть излучения неизбежно теряется вследствие поглощения в них. Обычно удается собрать излучение с телесного угла порядка 1 стерадиан. Максимальные значения η_вт ~ 100 % получены в излучающих диодах на основе твердых растворов Ga_xAl_1-xAs и Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y в диапазоне

длин волн от 0,68 до 1,6 мкм. Внешний квантовый выход η_вн оказывается значительно ниже, так как из-за высокого показателя преломления полупроводника большая часть излучения, падающего под углом j = j _пво, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводник - воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нем. Угол полного внутреннего отражения j _пво =

= arcsin (1/n), где n - показатель преломления полупроводника, и для GaAs j _пво= =17,2⁰, для GaP j _пво = 16,2⁰ соответственно. Для уменьшения внутреннего отражения поверхность излучающего диода покрывают просветляющим покрытием из прозрачной смолы с показателем преломления n_см= .Угол полного внутреннего отражения j _пво увеличивается для излучающего диода с внешней поверхностью в виде полусферы или срезанной сферы (сферы Вейерштрасса) (рис. 3). Cфера Вейершрасса дает дополнительную фокусировку излучения.

Рис. 3

Внешний квантовый выход η_вн для конструкции излучающего диода типа а) η_вн порядка нескольких процентов; для конструкций типа б), в), г) η_вн ~ 10…50 %. Типичные значения коэффициента полезного действия h современных излучающих диодов составляют 1…5 % в ИК-диапазоне (l = 0,8…1,75 мкм) и 0,8…10,2 % в видимой области (l= 0,38…0,76 мкм).

Средняя мощность рассеяния Ф_ср светодиода определяется как

Инерционность излучающих диодов характеризуется постоянными времени

нарастания и спада мощности излучения при импульсном возбуждении, которые измеряются между мощностями излучения 0,1 и 0,9 от максимального значения. В связи с малыми временами жизни неосновных носителей заряда, характерных для исходных материалов излучающих диодов, постоянные времени, определяющие инерционность, не превышают долей микросекунды.

Основными характеристиками излучающих диодов являются световая характеристика Ф(I), спектральная Ф(l), вольт - амперная I (U) (рис. 4).

Рис. 4

Улучшенные параметры и характеристики имеют излучающие диоды на гетеропереходах из-за особых свойств гетеропереходов: односторонней суперинжекции и волноводного эффекта в активном слое. Принципиально новыми свойствами обладают светодиоды с управляемым цветом свечения, когда в одном кристалле формируются два p-n-перехода красного и зеленого цветов свечения, путем изменения токов через переходы изменяется соотношение их интенсивностей излучения и результирующий цвет: красный, оранжевый, желтый или зеленый.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Установка по измерению статических характеристик светодиодов выполнена в соответствии с электрической схемой на рис. 5 и включает в себя источник питания ИП, исследуемые светодиоды СИД 1- СИД 6 и фотоприемный блок ФП.

В работе исследуется шесть светодиодов, характеристики которых представлены в таблице 1.

Таблица 1

Последовательное включение светодиодов в цепь осуществляется переключателем SA2, а ток через светодиод регулируется переменным резистором R2. Напряжение на светодиоде и ток через него измеряются соответственно вольтметром V

с пределами измерения 0…3 В и миллиамперметром А1 c пределами измерения 0…20 мА.

Излучение светодиодов принимается фоторезистором ФР, фототок I_Ф которого пропорционален световому потоку Ф при малых его значениях (I_Ф ~ Ф) и изменяется нелинейно (по закону I_Ф~ ) при больших световых потоках. Соответственно чувствительность S фоторезистора, определяемая как S = I_ф/Ф=АФ ^{α -1} , где А, -некоторые константы (0< <1), является постоянной при малых световых потоках, но меняется при больших. Различают интегральную чувствительность S_инт– чувствительность к немонохроматическому (сложному) потоку излучения заданного спектрального состава и монохроматическую S - чувствительность к излучению одной длины волны. Зависимость монохроматической чувствительности фоторезистора от длины волны называют абсолютной S_абс( ) или относительной S( ) =

= S_абс( )/S_λmax спектральной характеристикой, где - чувствительность фоторезистора в максимуме чувствительности. Фототок I_Ф измеряется миллиамперметром А2 с пределами измерения 0…3 мА.

В работе используется фоторезистор типа ФСК-1 на основе CdS, чувстви-

тельный в видимой и ближней ИК-области оптического излучения, с относительной спектральной характеристикой, представленной на рис. 6. Для ФСК-1 паспортная

интегральная чувствительность, определенная по источнику типа А - светоизмери-тельной лампе накаливания при цветовой температуре Т_цв=2856 10 К, составляет S_инт= 6 мА/лм =120 мА/Вт, а максимальная чувствительность на длине волны λ_max = = 0,64 мкм равна S_λmax =180 мА/Вт. Абсолютная чувствительность фоторезистора к излучению каждого исследуемого светодиода находится по абсолютной спектральной характеристике S_абс( ) для длины волны λ_max, соответствующей максимуму спектральной линии излучения светодиода, взятой из таблицы 1. При условии линейности световой характеристики I_Ф(Ф) мощность излучения в ваттах рассчитывается по формуле:

. (6)