Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Физические основы и принцип действия инжекционных источников света. Требования к материалам для светоизлучающих диодов и механизм излучательной рекомбинации



Свечение вещества под действием электрического поля называется электролюминесценцией. Следует различать электролюминесценцию, возникающую вследствие возбуждения носителями с высокой кинетической энергией, и электролюминесценцию, вызванную инжектированными носителями из-за контактной разности потенциалов твердых тел. Типичным примером инжекционной электролюминесценции является свечение в р-n переходе, находящемся под напряжением, приложенным в прямом направлении. В этом случае дырки из р-области и электроны из n-области движутся навстречу друг другу и рекомбинируют при попадании в область перехода с выделением фотонов. Другим примером инжекционной электролюминесценции является свечение в контакте полупроводник-металл, возникающее либо при инжекции носителей с энергией, превышающей барьер Шоттки, либо при туннельном прохождении электронов сквозь тонкую пленку диэлектрика. Здесь следует отметить, что свечение, вызванное возбуждением носителей с высокой кинетической энергией и инжекцией в р-n переходах, используется в дисплеях и индикаторных светодиодах, соответственно. В связи с тем, что данные методы генерирования излучения отличаются низким КПД, для генерации света с целью передачи информации в настоящее время используются более сложные полупроводниковые структуры, основанные на комбинации контактирующих между собой материалов.

Создаваемые в результате контакта переходы делятся на два вида:

- гомопереход, образованный одинаковыми, обычно простыми материалами с различной проводимостью, например, переход в контакте Ge n-типа и Ge р-типа;

- гетеропереход, образованный различными по химическому составу материалами, например, GaP.

Энергетические уровни гомоперехода:

 

 

Энергетические уровни гетероперехода:

Ec - энергетический уровень дна зоны проводимости, Ev - энергетический уровень валентной зоны

Рисунок 1 - Диаграмма энергетических уровней

 

Распределение энергии в гомопереходе и гетеропереходе приведено на рисунке 1, где слева дана картина уровней при отсутствии на переходе напряжения, а справа - для напряжения, приложенного в прямом направлении (плюс к р-области, а минус к n-области), В гетеропереходах ступени ΔEс и ΔEv определяются, соответственно, по разности ширины нижних и верхних краев запрещенных зон всей структуры полупроводника, а изготовление гетеропереходов производится выращиванием на поверхности одного из материалов слоя другого материала.



Требования к соединяемым материалам:

- для формирования простой двухкомпонентной структуры подбирают два вещества с близкими постоянными решетки;

- для трехкомпонентной структуры — расстояние между атомами может принимать любые значения, но ширина энергетической щели зависит от их состава;

- для четырехкомпонентной структуры — оба параметра могут подбираться независимо друг от друга.

Процессы выращивания кристалла с заданным направлением осей носят название эпитаксии и осуществляются различными способами, в частности, способом газовой фазы, способом химического осаждения, молекулярно-лучевым способом. Эпитаксия представляет собой выращивание кристаллов на подложке (основе), например, осаждением на нее материала в газообразном состоянии или путем химической транспортировки.

В отличие от индикаторных светодиодов введение в р-n структуру дополнительного слоя позволяет сформировать отличающийся более высоким КПД светоизлучающий LED диод.

Светодиод представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Процесс генерации света в таком диоде основан на рекомбинации электронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока с выделением фотонов, обладающих энергией, равной энергии запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в активной области связана с тем, что в материалах с большей энергетической зоной генерация фотонов невозможна. Кроме этого, большая запрещенная энергетическая зона предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает встроенные слои прозрачными для излучаемых волн.

Центральная длина волны λ0 излучения в этом случае определяется уровнем запрещенной энергетической зоны Eg и равна:



Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации:

- межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона - зона, рис.2);

- рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках (рис. 3).

Прямые переходы происходят без изменения импульса электрона (на рис. 2 импульс до и после перехода равен нулю), поэтому закон сохранения импульса выполняется "автоматически" при непосредственной рекомбинации электрона с дыркой. Вероятность излучательной рекомбинации, очень низкая в непрямозонных полупроводниках, может резко возрасти при образовании в них изоэлектронных (электрически нейтральных) экситонных ловушек. В GaP такие ловушки образуются путем легирования кристалла азотом (при этом атом N замещает в решетке атом P) или одновременно кислородом и цинком (атомы O и Zn замещают атомы P и Ga соответственно). Энергетическая структура этих центров такова, что они эффективно притягивают электроны и дырки с образованием экситонов. После локализации частиц на "тяжелом" центре их излучательная рекомбинация происходит также, как в прямозонном полупроводнике; при этом импульс передается центру. Энергия данного перехода отличается от ширины запрещенной зоны Eg на энергию связи экситона ΔEэкст. Естественно, что при обоих механизмах излучения имеет место и безизлучательная рекомбинация, бесполезно расходующая часть энергии возбуждения.

При повышении частоты возбуждающего сигнала наблюдается уменьшение интенсивности излучения, и возникновение релаксации излучения при работе в режиме переключения. Это связано с инерционностью процессов возникновения и гашения рекомбинационной люминесценции.

 

6) Конструкция типовых светоизлучающих диодов.

Параметры светодиода зависят не только от вида используемой в нем полупроводниковой структуры, но и от геометрических характеристик кристалла.

1 - омические контакты, 2 - активная область, 3 - алюминиевый контакт, 4 - кристалл.

7) Рисунок 4 а) поперечное сечение; б) вид сверху.

8)

Плоская конструкция(рис. 4) получила широкое распространение благодаря простоте и низкой стоимости и используется в самых массовых изделиях оптоэлектроники: индикаторах и оптопарах. Если верхний омический контакт изготовить в виде узкой полоски, то прямой ток локализуется, активная область резко сужается и преобладает торцовое излучение в месте выхода p-n-перехода на боковую грань кристалла. Такие светодиоды с торцовым свечение иногда находят применение в волоконно-оптических линиях связи, а также в лазерных принтерах.

1 - омические контакты, 2 - активная область, 4 – кристалл

Одной из разновидностей СИД являются суперлюминесцентные диоды (SLED), которые отличаются большей по сравнению с лазерными диодами (LD, ЛД) стабильностью, имеют меньший уровень шумов, а большая ширина спектра решает все проблемы, связанные с оптической интерференцией. Дополнительными преимуществами SLED в этом случае являются: высокая линейность, меньшее потребление энергии и, вследствие низкой плотности тока, высокая надежность. Так как SLED не очень чувствительны к перегрузке, для управления ими можно использовать простые схемы управления.

1 - омические контакты, 2 - активная область, 3 - диэлектрическая пленка, 4 – кристалл, 5 - зависимость показателя преломления

Рисунок 9

SLED представляет собой модификацию инжекционного лазерного диода, работающего не в режиме генерации, а в нелинейном режиме усилителя бегущей волны: выходное излучение является усиленным в активной среде с инверсной населенностью собственным спонтанным излучением. Достигается такой режим посредством “разрушения” обратной связи. Для этого используется несколько приемов: просветление одной из границ (R>0); наклонный скол одной из граней (нарушение плоскопараллельности зеркал); косое по отношению к плоскости излучающей грани расположение токоподводящего контакта; обрыв активной области в толще кристалла без выхода на одну из плоскопараллельных граней. Во всех остальных элементах конструкции суперлюминесцентный диод подобен лазеру с ДГС. Иногда отраженного луча нет или, отражаясь, он попадает в неактивную поглощаемую среду - происходит срыв генерации. Особенности такого прибора - отсутствие модовой структуры в выходном потоке и более существенная, чем у лазеров, роль спонтанного излучения.

Меза-структура (рис. 5) сложнее в изготовлении, однако ее использование позволяет уменьшить площадь излучения, а также улучшить диаграмму направленности вследствие собирающего действия боковой конической поверхности суженной части кристалла. Меза-структуры нередко дополняются фокусирующими микролинзами, изготавливаемыми из пластмассы или из самого полупроводникового кристалла (рис. 6). В конструкциях с линзой достигается наиболее высокая эффективность вывода излучения, однако они сложны, а иногда и неприемлемо громоздки. Другие методы уменьшения площади фронтального излучения - локальная эпитаксия или локальная диффузия в планарном процессе - также используются, но при этом не всегда удается преодолеть деградационый эффект.

9) 1 - омические контакты, 2 - активная область, 3 - высокоомная область, 4 – кристалл, 5 - эпоксидная смола, 6 - волоконный световод/стеклянный шарик.

10)

11) Так называемый баррас-диод (рис. 2.14), а также светодиод со стеклянной шариковой линзой (рис. 2.15) разработаны специально для ВОЛС. В конструкции Барраса близость активного слоя к поглотителю тепла означает, что тепловое сопротивление мало и можно использовать высокие плотности тока без чрезмерного повышения температуры, которое может привести к трем эффектам: меняется распределение излучения по длинам волн, падает внутренняя квантовая эффективность вследствие возрастания скорости безызлучательной рекомбинации, падает срок службы светоизлучающего диода. Один из недостатков двойной гетероструктуры, применяемой в светодиоде Барраса, обусловлен низкой теплопроводностью слоя GaAlAs, составляющей примерно третью часть теплопроводности GaAs. В результате пропорционально возрастает температура перехода при той же самой плотности тока. Активный слой может быть изготовлен из GaAlAs с меньшим содержанием Al, чем в ограничивающем слое. При этом появляется возможность частотной перестройки и снижения плотности дислокации в активном слое.

 

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2018 год. Все права принадлежат их авторам!