14. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

14.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В последнее время появился новый тип полупроводниковых приборов - полупроводниковые источники света, или, как их еще иногда называют, электролюминесцентные диоды. В основе действия полупроводниковых источников света лежат два явления: инжекция неосновных носителей электронно-дырочным переходом и последующая излу-чательная рекомбинация избыточных электронов и дырок ъ р- и п-областях.

Попавщие в р-область электроны рекомбинируют с основными носителями заряда (дырками). Аналогично ведут себя дырки, инжектируемые в л-область. На энергетической диаграмме (рис. 1.1) рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу носителя заряда из одного энергетического состояния (уровень £J в другое, характеризующееся некоторым энергетическим уровнем Е. Выделяемая при этом энергия излучается в виде света или же передается кристаллической рещетке. В полупроводниковых материалах с больщой щириной запрещенной зоны (GaAs, GaP, SiC) вероятность излучательной рекомбинации достаточно высока, что и определяет возможность изготовленияна их основе источников света. В отличие от указанных материалов, в германии и кремнии процесс рекомбинации носителей с излучением света в обычных условиях мало вероятен.

14.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

К числу основных параметров полупроводниковых источников света относятся следующие: длина волны излучаемого света, определяющая цвет свечения X; щирина кривой спектрального распределения; мощность излучения Р; коэффициент полезного действия т].

Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит переход электронов. В арсениде галлия и фосфиде индия эта разность близка к щирине запрещенной зоны полупроводника. То же самое относится к «зеленой» полосе люминесцен-

ции в фосфиде галлия. Однако не исключено, что в этих случаях реализуются оптические переходы зона - примесный уровень или переходы между уровнями. В фосфиде галлия или карбиде кремния основную роль играют оптические переходы между примесными уровнями. Поэтому обычно Е\ <; Eg. Подобное явление имеет место и в арсениде галлия при больших концентрациях легирующей примеси. Длина волны излучаемого света связана с разностью энергий уровней электронов соотношением

Так, например, в арсениде галлия, у которого £х примерно равняется ширине запрещенной зоны (1,38 зв), длина волны излучаемого света составляет 0,9 мкм. Для того, чтобы получить излучение в более коротковолновой области спектра, приходится использовать материал с большей шириной запрещенной зоны. Так, на основе карбида кремния и фосфида галлия получены источники света с излучением в зеленой, желтой и красной областях видимого света. Цвет свечения определяется как введенными примесями (азот, алюминий, бор, галлий, магний в карбиде кремния, цинк, кислород в фосфиде галлия), так и политипизмом полупроводника. Например, при введений бора в карбид кремния альфа-модификации типа 21R\ 6Н или 4Н могут быть получены светодиоды с красным, желтым или зеленым цветом свечения соответственно.

Поскольку с уменьшением температуры ширина запрещенной зоны увеличивается, длина волны излучаемого света, как правило, монотонно уменьшается. Если при комнатной температуре длина волны излучения арсенидо-галлиевых источников света равна 0,9 мкм, то при температуре жидкого азота она составляет уже Q,SAмкм.

В реальных приборах переход носителей заряда обычно происходит не между двумя уровнями, а между двумя группами тесно расположенных друг к другу энергетических уровней. Это приводит к тому, что спектр излучения оказывается размытым. Размытие характеризуется обычно шири-. ной кривой спектрального распределения на «полувысоте», т. е. расстоянием между двумя точками на этой кривой, соответствующими половине максимума интенсивности.

При температуре жидкого азота ширина спектра на полу-

высоте для источников света из арсенида галлия, составляет около 200 А. При увеличении температуры спектр расширяется ,и при комнатной температуре ширина спектра на полувысоте оказывается равной 300 А. Для источников света из наиболее чистого карбида кремния и фосфида галлия налбюдается дискретный спектр излучения, аналогичный молекулярным или атомным спектрам.

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) полупроводниковых источников света определяется как отношение мощности излучения к электрической мощности, подводимой к прибору. Часто используют другую характеристику - квантовую эффективность, которая определяется как отношение числа излучаемых фотонов к числу электронов, проходящих через р-п переход. Квантовая эффективность оказывается подчас более удобной характеристикой для анализа процессов, происходящих в приборе. Теоретически возможная величина к.п. д. равна 100%. Однако на практике достигнутое значение к. п. д. в настоящее время значительно меньше (0,1 - 1%). Это объясняется прежде всего тем, что в реальных приборах, наряду с излучательными переходами, имеют место безызлучательные механизмы рекомбинации носителей заряда. С испусканием фотонов рекомбинирует только часть носителей заряда, остальные носители не вносят своего вклада в излучение. Задача увеличения доли излучательной рекомбинации в общем рекомбинационном процессе оказывается достаточно сложной и определяется степенью совершенства кристаллической структуры полупроводника, наличием в нем посторонних примесей, технологией изготовления прибора и т. д. Кроме того, уменьшение к. п. д. в реальных приборах обусловлено потерями излучения на полное отражение и поглощение в кристалле и световыводе.

С уменьшением температуры в арсениде галлия и фосфиде галлия доля излучательной рекомбинации растет и, следовательно, увеличивается коэффициент полезного действия прибора. Так, к. п. д. источника света из арсенида галлия увеличивается более чем на порядок при изменении температуры от комнатной до 77 ° К- В карбиде кремния имеются две полосы излучения - коротковолновая и длинноволновая. Эффективность первой растет с понижением температуры, а вторая имеет максимум при температуре 100 - 150° С. Эти полосы связаны с наличием различного вида примесей в материале (алюминия и бора).