Излучательная характеристика.




Лабораторная работа № 5

Изучение излучающих диодов

Цель работы: изучить физические принципы работы, основные характеристики и параметры излучающих диодов.

Введение

Излучающие диоды используются в качестве излучате­лей в различных схемах индикации, отображения информа­ции, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других устройствах, при этом диод выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства — как дискретный оптоэлектронный прибор или может входить в состав друго­го оптоэлектронного прибора, например, оптопары.

Предметом изучения данной работы являются: устройство и физические принципы работы ИД; основные характеристики светоизлучающих диодов, излучающих диодов инфракрасного диапазона: сила света, выходная диаграмма направленности, угол обзора или угол излучения половинной яркости, излучательная характеристика, вольтамперные характеристики.

Теоретическая часть

Физические основы работы светоизлучающих диодов

Полупроводниковые светоизлучающие диоды (рисунок 1) - новый класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе действия — инжекционная электролюминесценция, эффективная в соединениях типа АIIIВV.

 

а – плоская; б – плоскопланарная; в – полусферическая; г – условное обозначение светодиода; 1 – выводы; 2 – кристалл; 3 – полимерная линза

 

Рисунок 1 - Конструкция излучающих диодов

 

В основе работы полупроводниковых светоизлучающих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшие из них: инжекция неосновных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо- или гетеро- переходом; излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры. В настоящей главе будут рассмотрены важнейшие физические явления, на основе которых функционирует светоизлучающий диод и которые необходимо учитывать при конструировании приборов различного назначения.

Явление инжекции неосновных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов (недаром эти приборы часто называют инжекционными источниками света). Вопросы физики протекания инжекционного тока в р-n - переходах рассмотрены в ра­ботах Шокли и многих монографиях. В обобщенном виде инжекция носителей р-n - переходом может быть представлена следующим образом.

Когда в полупроводнике создается р-n - переход, то носители в его окрестностях распределяются таким образом, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев p- и n- типов электроны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n- стороне и ионизованных отрицательных акцепторов на р- стороне. Электрическое поле дипольного слоя создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов.

При подаче на р-n - переход электрического смещения в прямом направлении U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р- область войдет добавочное количество электронов, а в n- область - дырок. Такое диффузионное введение неосновных но­сителей называется инжекцией (рисунок 2).

Концентрация инжектированных носителей зависит только от равновесной концентрации неосновных носителей и приложенного напряжения.

 

I – зона проводимости; II – запрещенная зона; III – валентная зона

а) энергетическая диаграмма, поясняющая механизм действия инжекционного светодиода; б) яркостная характеристика светодиода; в) эквивалентная схема светодиода

Рисунок 2

 

Особенность решения вопросов инжекции при кон­струировании светоизлучающих диодов, в которых, как правило, одна из областей p-n - структуры оптически активна, т.е. обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения, заключается в том, что для полу­чения эффективной электролюминесценции вся инжек­ция неосновных носителей должна направляться в эту активную область, а инжекция в противоположную сто­рону - подавляться.

Если активна область р- типа, то необходимо, чтобы электронная составляющая диффузионного тока преоб­ладала над дырочной, а интенсивность рекомбинации в области объемного заряда была низка.

Однако повышение концентрации носителей в инжектирующей области имеет свои пределы, так как при более высоком уровне легирования возрастает концентрация дефектов в материале, что приводит к увеличению доли туннельного тока и ухудшению, тем самым, инжектирующих свойств р-n - перехода. Как будет видно из дальнейшего изложения, для повышения внутрен­него квантового выхода излучательной рекомбинации в прямо-зонных полупроводниках необходимо повышать концентрацию носителей и в активной области, в связи с чем возникают дополнительные трудности с обеспечением одностороннего характера инжекции. Таким образом, в гомопереходах существуют трудности по обеспечению высокого коэффициента инжекции носителей в активную область, обусловленные противоречивыми требованиями к легированию p- и n- областей структуры для достижения высокого коэффициента инжекции и максимального квантового выхода электролюминесценции в активной области. В некоторых полупроводниках высокий коэффициент инжекции носителей в одну из областей р-n - перехода может быть обеспечен разницей в подвижности элект­ронов и дырок. Так, в GaAs и других прямозонных соединениях высокий коэффициент инжекции элект­ронов в р- область может быть осуществлен за счет более высокой подвижно­сти электронов.

Следует отметить, что в последнее время появи­лись светоизлучающие диоды, в которых люминесцируют обе области p-n - перехода, а также область пространственного заряда, и от эффективности излучательной рекомбинации в этих областях зависят важные характеристики: цвет свечения, сила света и т. п. В этом случае инжекция носителей в обе области должна носить дозированный характер, что предъявляет высокие требования к точности легирования областей p- n- структуры.

Кардинальное решение проблемы односторонней инжекции дают гетеропереходы. Свойства гетеропереходов, возникающих на границе раздела двух полупро­водников с различной шириной запрещенной зоны, описаны в ряде монографий. В зонной модели резкого n-р и р-n-гетероперехода в отличие от зонной модели гомоперехода вследствие разности электронного родства контактирующих веществ появляются разрывы в валентной зоне DEu и зоне проводимости DEc. Наличие этих потенциальных барьеров при смещении перехода в пропускном направлении приводит к односторонней инжекции носителей тока из широкозонного материала в узкозонный практически независимо от уровня легирования n- и p-областей. Для обеспечения односторонней инжекции носителей с помощью гетероперехода достаточна разница в ширине запрещенной зоны около 0,1 эВ, так как отношение In/Ip пропорционально ехр(DEg/kT).

Другая особенность гетеропереходов заключается в возможности получения в узкозонном полупроводнике концентрации инжектированных носителей, превышающей концентрацию основных носителей в широкозонном полупроводнике. Этот эффект называется суперинжекцией. Явление суперинжекции позволяет получить в активной области высокую концентрацию инжектированных носителей, недостижимую с помощью гомоперехода. В некоторых случаях о явлении суперинжекции говорят и тогда, когда концентрация инжектированных носителей в активной области при наличии гетероэмиттера превышает концентрацию носителей в активной области при том же токе в случае гомоперехода.

Для инжекции неосновных носителей в активную область структуры применяется также контакт металл — полупроводник (барьер Шоттки) или металл — диэлектрик — полупроводник. Такой контакт создают в тех случаях, когда получение р-n - перехода невозможно, например при использовании полупроводниковых соединений типа AIIBVI (ZnS, ZnSe), GaN и др. Эффективность инжекции носителей в полупроводник у барьеров Шоттки весьма низка (не превышает 1%), что приводит к малым значениям КПД излучающих диодов даже при высоких значениях внутреннего квантового выхода излучения. В связи с этим барьеры Шоттки не нашли широкого применения при изготовлении излучающих диодов.

Помимо инжекции существует еще один механизм возбуждения электролюминесценции — это ударная ионизация при обратном смещении р-n - перехода до напряжения электрического пробоя. Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен, чем инжекционный, из-за участия в нем разогретых носителей, которые часть энергии возбуждения передают решетке полупроводника. Кроме того, ударная ионизация требует высоких напряжений на р-n - переходе, вызывающих сильный перегрев р-n - перехода, который в отсутствие достаточного теплоотвода от кристалла может приводить к тепловому пробою и выходу прибора из строя.

В зависимости от типа соединения излучающий диод может излучать в инфракрасном спектре. ИК диоды широко применяются в качестве излучателей в дистанционном управлении.

Все характеристики излучающих диодов делят на оптические, электрические, температурные, конструктивные.

К основным характеристикам излучающих диодов относят:

Сила света. Обычно указывается осевая сила свет Iо для заданного значения прямого тока.

Угол обзора или угол излучения половинной яркости. Светодиоды обладают неравномерной зависимостью силы излучения от угла отклонения от продольной оси симметрии светодиода. В качестве нормирующей характеристики принят угол излучения половинной яркости (мощности), который определяет сектор диаграммы, в пределах которого интенсивность излучения составляет не менее половины максимального значения.

Выходная диаграмма направленности. В телесном угле световой поток распределен неравномерно и для характеристики его распределения используется выходная диаграмма направленности (Рисунок 3). Выходная диаграмма направленности светового потока формируется как формой рефлектора, так и формой корпуса светодиода. Возможно создание диаграмм направленности с различной шириной по вертикали и горизонтали, например, 120° по горизонтали и 60° по вертикали (т.н. овальные светодиоды).

Рисунок 3 – Диаграммы направленности двух ИД

Излучательная характеристика.

Эффективность излучающего диода характеризуют зависимостями параметров оптического излучения от прямого тока через диод (Рисунок 4).

 

1 - верхняя шкала, 2 – нижняя шкала

Рисунок 4 – Излучательная характеристика для ИК - диодов

Спектральный максимум или доминирующая длина волны. Каждый излучающий диод создает максимум интенсивности светового потока на определенной длине волны. Цвет свечения светодиода зависит от длины волны, однако длина волны не определяет однозначно цвет. Более точной спецификацией цвета являются координаты на цветовом графике CIExyz.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: