Явление испускания света полупроводниками. Светодиоды

1.

Раздел 3. Оптические, фотоэлектрические и гальваномагнитные явления в
полупроводниках
Лекция 3.2.1. Явление испускания света полупроводниками. Светодиоды
Учебные вопросы:
1.Инжекционная люминесценция
2.Принцип действия светодиода
3.История создания
4.Характеристики светодиодов
5.Практическое применение

2.

Люминесценция — неравновесное излучение, избыточное при данной
температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность,
большую периода световых колебаний.
Свечение, возникающее в веществе под действием электрического поля,
называют электролюминесценцией.
Излучение, вызванное инжектированными носителями из-за контактном
разности потенциалов твердых тел, называют инжекционной
электролюминесценцией.
Светодиод – это полупроводниковый прибор с р –n-переходом,
источник некогерентного оптического излучения nри пропускании через
р –n-переход тока в прямом направлении,
Принцип действия светодиода основан на явлении инжекционной
электролюминесценции. Возникает излучательная рекомбинация при
инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- р-пnереход.

3.

ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ
ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ
E
Зона
проводимости
Запрещенная
зона
hv
Eg
Излучение при рекомбинации
Валентная
зона

4.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СВЕТОДИОДА
Если в образце создан p-n переход, т.е. граница между областями с дырочной
(p-) и электронной (n-) проводимостью, то при положительной полярности
внешнего источника тока на контакте к p-области (и отрицательной - на
контакте к n-области) потенциальный барьер в p-n переходе понижается и
электроны из n-области инжектируются в р-область, а дырки из p-области - в nобласть.

5.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СВЕТОДИОДА
Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая
свою энергию либо квантам света h (излучательная
рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, - тепловым
колебаниям
решетки
(безызлучательная
рекомбинация).
Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна
концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с
повышением концентраций основных носителей в p- и n-областях
желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет
рекомбинация. Но в обычных p-n переходах эта толщина не может
быть меньше диффузионной длины Lp (см. рисунок) - среднего
расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители
заряда, пока не рекомбинируют.

6.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СВЕТОДИОДА
Энергетическая диаграмма обычного (гомогенного) p-n перехода в полупроводнике
при прямом смещении Uпр. Черными стрелками показана инжекция электронов и
дырок; цветными - рекомбинация электрона и дырки. В отсутствие смещения (U = 0)
уровень Ферми (штриховые прямые) одинаков во всем переходе Fp = Fn, и барьеры
для основных носителей выше, чем при прямом включении p-n перехода, когда уровни
Ферми раздвигаются на величину eUпр = Fn – Fp.

7.

Светодиод на основе гетероперехода
Для решения задачи ограничения активной области рекомбинации были
предложены и практически изготовлены гетероструктуры, сначала на основе
GaAs и его твердых растворов типа AlGaAs, а затем и на основе других
полупроводниковых соединений. В гетероструктурах толщина активной
области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины.
Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры, в которой между
внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины
запрещенной зоны Eg2, Eg3 расположен тонкий слой с меньшей шириной Eg1.
Толщину этого слоя d можно сделать очень малой, порядка сотен или даже
десятков атомных слоев. Помимо потенциального барьера обычного p-n
перехода на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для
электронов ΔEc и дырок ΔEv. Если приложить к переходу прямое смещение,
возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой.
Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией,
спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх - к краю
валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

8.

Светодиод на основе гетероперехода
Энергетическая диаграмма p-n гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при
прямом смещении U. Черными стрелками показана инжекция электронов и дырок в
активную область p-n гетероструктуры. Попадая в узкие и достаточно глубокие ямы,
электроны и дырки оказываются запертыми в них. Если активный слой (с узкой
запрещенной зоной Eg1) содержит малое количество дефектов, электроннодырочные пары рекомбинируют с излучением кванта Eg1 (цветная стрелка).

9.

Светодиод на основе гетероперехода.
Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно
легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в
них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную
узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции
значительных концентраций неравновесных электроннодырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области
принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже
говорилось, могут служить центрами безызлучательной
рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны
наталкиваются на потенциальный барьер ΔEc, дырки - на барьер
ΔEv, поэтому и те, и другие перестают диффундировать дальше
и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием
фотонов.

10.

Максимальная эффективность излучения
Для достижения максимальной эффективности излучения, необходимо
выполнение следующих условий:
• Закона сохранения энергии при переходе
электронов из зоны проводимости в валентную зону.
Для этого Eg в активной области диода должна быть
близка к нужной энергии квантов излучения.
• Закона сохранения импульса. Это возможно
только у прямозонных полупроводников, у которых
максимум валентной зоны располагается под
минимумом зоны проводимости (т.е электроны
имеют одинаковые квазиимпульсы).
• Также кристалл полупроводника и границы между
разными слоями должен быть по возможности
бездефектным, т.к. дефекты тоже порождают
рекомбинацию без излучения.

11.

Если прибор построен из полупроводников
со структурой энергетических зон, дающей
прямой переход, то электроны зоны
проводимости и дырки валентной зоны
рекомбинируют
напрямую,
акты
рекомбинации происходят часто, энергия
излучения
практически равна ширине
запрещенной зоны. При непрямом
переходе в энергетической структуре
полупроводника электрон, чтобы перейти
из одной зоны в друrую, должен вступить
во взаимодействие с фононом. В этом
случае вероятность рекомбинационного,
излучения обычно низка. Однако даже при
неnрямых переходах, ·если в веществе
имеются центры сильной люминесценции
квантовый выход излучения высок.
На рис. приведена зависимость запрещенной
зоны от волнового вектора для нескольких
значений х, из которой следует, что зона
проводимости имеет два минимума. Те
минимумы, которые расположены в точке
Г, являются прямыми, тогда как другие,
расположенные на оси х, непрямые.

12.

Как уже говорилось, электроны в прямом минимуме зоны проводимости и дырки в максимуме
валентной зоны обладают одинаковыми квазиимпульсами; электроны в непрямом минимуме имеют
другое значение квазиимпульса. Для таких прямозонных полупроводников, как GaAs(1-x)Px (x < 0.45)
квазиимпульс при межзонных переходах сохраняется, поэтому эти переходы характеризуются
высокой степенью вероятности. При этом энергия фотона приблизительно равна ширине
запрещённой зоны полупроводника. В прямозонных материалах процесс излучательной
рекомбинации является доминирующим. В то же время для GaAs(1-x)Px при х > 0.45 и GaP, у
которых запрещённая зона не прямая, вероятность междузонных переходов чрезвычайно мала,
поскольку в этом случае для преобразования квазиимпульса при переходе требуется участие
фононов или других факторах рассеяния. Поэтому для усиления излучательных процессов в
непрямозонных полупроводниках, таких, например, как GaP, специально создаются
рекомбинационные центры. Эффективные центры излучательноц рекомбинации в GaAs(1-x)Px могут
быть созданы путём внедрения специальных примесей, например азота. Азот, внедрённый в
полупроводник, замещает атомы фосфора в узлах решётки. Азот и фосфор имеют одинаковую
внешнюю электронную структуру (оба относятся к V группе элементов периодической системы), а
структуры их внутренних оболочек сильно различаются. Это приводит к возникновению вблизи
зоны проводимости электронного уровня захвата. Полученный таким образом рекомбинационный
центр называется изоэлектронным центром. В нормальном состоянии изоэлектронные центры
нейтральны. В материале p-типа инжектированный электрон сначала захватывается на центр.
Заряженный отрицательно центр затем захватывает дырку из валентной зоны, формируя связанный
экситон. Последующая аннигиляция этой электронно-дырочной пары приводит к рождению фотона
с энергией, примерно равной разности между шириной запрещённой зоны и энергией связи центра.
Так как захваченный электрон сильно локализован на центре, его импульс рассеивается. Таким
образом обеспечивается преобразование квазиимпульса, вследствие чего вероятность прямого
перехода существенно возрастает. В непрямозонных материалах, таких, как GaP, описанный
механизм излучательной рекомбинации является преобладающим.

13.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОДИОДОВ
История создания светодиодов 1907 год
- Генри Раунд - британский инженерэкспериментатор впервые обнаружил
едва заметное излучение, испускаемое
карбидокремниевыми кристаллами,
вследствие неизвестных в то время
электронных превращений.

14.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОДИОДОВ
1923 год - в Нижнем Новгороде, молодой
российский ученый Олег Лосев также
зафиксировал это свечение (свечение
Лосева) при проведении
радиотехнических лабораторных опытов.
Природа этой инжекционной
люминесценции окончательно стала
понятна только в 1948 после изобретения
транзистора и появления теории "p-nперехода".

15.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОДИОДОВ
1962 год - группа ученых из
Университета Иллинойса (США),
которой руководил Ник Холоньяк,
продемонстрировала работу первого
светодиода. В этом же году Ник
Холоньяк создал первые "красные"
светодиоды, которые уже можно было
применять в промышленности.

16.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОДИОДОВ
1993 год - Суджи Накамура - инженер
малоизвестной тогда японской фирмы
Nichia (Ничиа) получил первый синий
сверхъяркий светодиод. После этого,
почти моментально были созданы
светодиодные RGB (Red-Green-Blue)
устройства, поскольку эти три цвета
(зеленый, синий, красный) в своем
сочетании сделали возможным создать
любой цвет, даже белый.

17.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОДИОДОВ
1970 года – создание гетеролазера.
Жоре́с Ива́нович Алфёров российский
физик, лауреат Нобелевской премии по
физике (премия 2000 года за разработку
полупроводниковых гетероструктур и
создание быстрых опто- и
микроэлектронных компонентов).

18.

УСТРОЙСТВО СВЕТОДИОДА

19.

СВЕТОДИОД И СВЕТОДИОДНАЯ МАТРИЦА

20.

СВЕТОДИОДЫ. LIGHT-EMITTING DIODE (LED)
По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на
две группы: с излучением в видимой части спектра (светодиоды) и
инфракрасной - диоды ИК-излучения.
Светодиоды выпускаются красного (GaP : ZnO, GaAs0,6P0,4), оранжевого
(GaAs0,35P0,65), зеленого (GaP), желтого (GaAs0,14P0,86), голубого (GaAs ErYb, SiC), фиолетового (GaN) цветов свечения, а также с переменным
цветом свечения. Последние имеют два электронно-дырочных перехода.
Общий свет свечения зависит от соотношения токов, протекающих через
эти переходы. Светодиоды чаще всего используют как индикаторные
устройства. Поскольку глаз чувствителен только к свету с энергией hv~1.8
эВ (~0.7 мкм), то полупроводники, которые могут быть использованы для
создания светодиодов видимого диапазона, должны иметь ширину
запрещённой зоны больше этого значения. На практике наибольший
интерес представляет GaAs(1-x)Px.

21.

СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ
В СКОБКАХ УКАЗАН КВАНТОВЫЙ ВЫХОД В ЛЮМЕНАХ НА ВАТТ

22.

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Электрические
характеристики ВАХ
светодиода повторяет по
форме ВАХ обычного
кремниевого диода.
Рабочий режим светодиода
отражает прямая ветвь ВАХ,
круто уходящая вверх.

23.

КОНСТРУКЦИИ СВЕТОДИОДОВ
Среди светодиодных структур основной является структура с
плоской геометрией (см. рис.). Обычно прямозонные светодиоды
(красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как
непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) - на
подложках GaP (б).

24.

При использовании подложки GaAs на неё наращивается переходный слой
GaAs(1-x)Px переменного состава с х, изменяющимся в пределах 0-0.4, а затем
слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом.
Переходная область ограничивает образование безызлучательных центров,
обусловленных различием решёток. Фотоны, генерируемые в области перехода,
испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их
часть, которая проходит через поверхность. Уменьшение количества излучаемых
светодиодом фотонов обусловлено поглощением в материале светодиода,
потерями за счёт отражения и потерями за счёт полного внутреннего отражения.
Потери, связанные с поглощением, весьма существенны в светодиодах на
подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка поглощает примерно 85%
фотонов, излучаемых переходом. В светодиодах на подложках GaP (б)
поглощение составляет ~25%, и эффективность излучения может быть
существенно увеличена.

25.

На рис. показаны поперечные разрезы других светодиодов, которые имеют
параболическую, полусферическую и усечённо сферическую геометрию.
Основное отличие этих
трёх структур от
структуры с плоской
геометрией состоит в
том, что телесный угол
для них равен 1. Таким
образом, отношение
эффективностей равно
Это означает, что для структур на GaP c n=3.45 при данной геометрии можно
ожидать увеличения эффективности на порядок.

26.

ИНФРАКРАСНЫЕ СВЕТОДИОДЫ
Областями применения диодов ИК-излучения являются оптронные устройства
коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления.
Наиболее распространённый в настоящее время инфракрасный источник - это
светодиод на основе GaAs. Он обладает наибольшей эффективностью
электролюминесценции в основном благодаря тому, что среди всех
прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее
освоенным. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие
другие полупроводники, имеющие запрещённую зону шириной менее 1,5 эВ. К
ним относятся твёрдые растворы, в состав которых входят три или четыре
элемента III и V групп периодической системы.
Светодиоды по сравнению с лазерами имеют как преимущества, так и
недостатки. К последним относятся меньшая яркость, более низкие частоты
модуляции и большая спектральная ширина линии излучения, типичное
значение которой составляет 100-500 ангстрем, тогда как лазеры
характеризуются шириной линии 0,1-1 ангстрем.

27.

Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения в оптические
волокна малого диаметра: светодиоды с излучающей поверхностью (рис.а) и с
излучающей гранью (рис. б).

28.

Важным параметром, который должен учитываться при конструировании светодиодов для оптических систем связи,
является диапазон рабочих частот. При внешнем возбуждении скорость полной излучательной рекомбинации
определяется выражением: Rr = Bnp
где В-константа излучательной рекомбинации, равная G/n0p0 (G-скорость полной термической генерации).
При достаточно низких уровнях возбуждения, таких, что в материале р-типа р примерно равно р0, время жизни
излучательной рекомбинации становится равным:
а для материала n-типа, когда n примерно равно n0:
Предельная частота
светодиода
Экспериментально показано, что
предельная частота возрастает с
концентрацией р0. Для достижения высоких
значений f необходимо уменьшать толщину
рекомбинационной области и увеличивать
концентрацию носителей

29.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Светодиоды, излучающие в видимой области, работают в
дисплеях. Они широко используются как контрольные
лампы, в часах, в трансиверах, в игрушках, в автоматахпродавцах, в автомобилях и т. д. Располагая светодиодные
чипы в матрицу 5 7, можно получить один знак, а
разместив их в матрице больших
размеров в виде
регулярных рядов точек, можно отображать много знаков или
строить изображение. Кроме того, светодиоды, излучающие
в ближней инфракрасной области, применяют для
оптической связи, оптического дистанционного управления и
как источники излучения в оптронных парах.

30.

Применение светодиодов