Светодиод - полупроводниковый диод, излучающий свет при пропускании тока через р - п-переход в прямом направлении. Физ. основу работы С. составляют процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную область р - га-структуры и излучат. рекомбинации инжектиров. носителей (см. Рекомбинация носителей заряда).
С. включает в себя активный элемент из полупроводникового монокристалла, в основном в виде кубика («чипа»), содержащего р - re-переход или гетеропереход и омич. контакты. Типичные размеры чипа: 0,3 X 0,3 X 0,25 мм. С. содержит также элементы конструкции, предназначенные для сбора излучения, повышения внеш. оптич. эффективности и формирования необходимой диаграммы направленности излучения. С. может иметь два чипа с разл. цветами свечения или один чип с двумя р - n-переходами, излучающими в двух спектральных полосах. В этом случае возможно управление цветом свечения. С. может содержать также резистор или микросхему, позволяющие управлять питающим напряжением С. (см. Интегральная схема, Микроэлектроника). С. могут иметь усложнённую конструкцию, повышающую эффективность ввода излучения в волокно, если они предназначены для использования в спец. целях, напр. в волоконно-оптич. линиях связи (ВОЛС) (см. Волоконная оптика).
С. характеризуются высокой яркостью (тыс. кд/м2), силой света
(до десятков кд), силой излучения (сотни мВт/ср), внеш. квантовым выходом излучения
(до 50%), широким спектральным диапазоном (
7-0,35 мкм), высоким быстродействием (до единиц не), совместимостью по
входным характеристикам с транзисторными микросхемами, а по спектру излучения
С. ИК-диапазона - с фотоприёмниками на основе кремния, возможностью
монолитной интеграции, возможностью ВЧ-модуляции излучения путём модуляции
тока накачки (до сотен МГц), низковольтностью электропитания (1,5-4 В),
надёжностью и большим сроком службы (до сотен тыс. ч).
Основные механизмы возбуждения светодиода - инжекция носителей заряда и ударная ионизация .Инжекция наиб. эффективна в гетероструктурах (ГС). Вследствие разрывов в валентной зоне и зоне проводимости гетероперехода при смещении перехода в прямом направлении наблюдается односторонняя инжекция носителей заряда из широкозонного материала в узкозонный практически независимо от уровня легирования п- и р-областей. В двойных гетероструктурах (ДГ) вследствие эффекта электронного ограничения (см. Гетероструктура)повышается концентрация носителей в активной области структуры. Если толщина активной области d < L, где L - диффузионная длина инжекторов, носителей, то концентрация носителей в L/d раз превышает концентрацию в гомоструктуре при том же уровне возбуждения. Применение ДГ позволяет повысить внеш. квантовый выход излучения (hвн) при малых токах накачки. Ударная ионизация имеет место при обратном смещении р - n-перехода до напряжения электрич. пробоя. Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен, чем инжекционный.
Излучат, рекомбинация в С. осуществляется в прямозонных полупроводниках
(напр., GaAs, InAs, твёрдых растворах
при
х < 0,4,
при х < 0,35 и др.), в к-рых абс. минимум зоны проводимости находится
при том же значении квазиимпульса ,что и максимум валентной зоны.
Переход электрона с сохранением квазиимпульса характеризуется высокой вероятностью
и является излучательным. Длина волны излучения в максимуме спектральной
полосы определяется шириной запрещённой зоны Еg по примерному
соотношению
.
Полное число излучат. переходов R в единице объема пропорц. концентрациям
электронов (n) и дырок (р)в активной области: R = Вrпр, где
Вr - коэф. рекомбинации, равный для прямозонных полупроводников
~10-10 см3/с.
С. на основе гомопереходов в прямозонных полупроводниках, легированных
т. н. мелкими примесями (см. Примесные уровни ),имеют существ. недостаток
- сильное поглощение излучения внутри кристалла (коэф. поглощения
~
104 см"1). Снижение потерь па межзонное поглощение
достигается уменьшением энергии излучения за счёт компенсации примесей
в активной области (напр., в эпитаксиальной р - n-структуре GaAs, легированной
Si). При сильном легировании и компенсации хаотически расположенный в пространстве
заряд примесей создаёт искривление границ зон, при к-ром локальная ширина
запрещённой зоны остаётся постоянной (см. Сильнолегированный полупроводник ).Это
приводит к тому, что в распределении плотности состояний появляются
участки при энергиях ниже зоны проводимости и выше валентной зоны - т.
н. хвосты плотности состояний, пространственно разделённые в обеих зонах.
В С. с такой структурой в излучат. рекомбинации принимают участие глубокие
и удалённые группы состояний. При этом излучаемые фотоны характеризуются
энергией, меньшей
на
глубину потенциальных ям
, и поэтому слабо поглощаются в кристалле
.
Одновременно эти переходы имеют высокую инерционность (быстродействие С.
примерно 0,5-1,5 мкс), т. к. плотность состояний на дне потенциальных ям
мала. В связи с низким коэф. поглощения внеш. квантовый вход излучения
для приборов с полусферич. кристаллом достигает
В непрямозонных полупроводниках (GaP, GaAs1-xPx при х > 0,4 и др.) эфф. излучательная рекомбинация может осущестиляться только при наличии определённого примесного центра, изоэлектронно замещающего один из атомов соединения. Роль этого центра заключается в том, что на нём образуется связанный экситон .Например, для GaP таким центром являются N, обусловливающий зелёное свечение, и комплекс Zn - О, обусловливающий красное свечение. Азот в GaP изоэлектронно замещает Р. Ввиду того что N имеет меньший ат. номер, чем Р, меньший ионный радиус и отличается по электроотрицательности, то образовавшийся нейтральный центр притягивает электрон короткодействующими силами. После захвата электрона дырка притягивается к заряж. центру кулоновскими силами и реализуется излучат. переход. Этот экситонный излучат. переход обусловливает бесфононную линию А и её фононные повторения в спектре излучения.
В непрямозонных полупроводниках наблюдается также эфф. донорно-акцепторная
рекомбинация, при к-рой носители захватываются на свои примесные центры,
а затем электрон переходит с донора на акцептор в акте излучат. рекомбинации.
Примером может служить рекомбинация на донорно-акцепторной паре А1 - N
в 6Н - SiC и 4Н - SiC, приводящая к получению синего (
480 нм) и фиолетового (
423 нм) свечения.
Для осуществления прямых переходов при большей ширине запрещённой зоны,
чем дают бинарные соединения GaAs, InP и др., применяют трёхкомпопентные
твёрдые растворы прямозонных бинарных соединений с малой
и непрямозонных бинарных соединений с большой
.
Примером такого соединения является
, для к-рого Г-минимум прямых переходов расположен ниже X-минимума непрямых
переходов (см. Зонная теория)в значительной области составов. Твёрдые
растворы
и
сохраняют
преим. прямые переходы до анергий, соответствующих красному цвету свечения,
а твёрдые растворы
и
- до энергий,
соответствующих жёлтому и зелёному цветам свечения (рис. 1).
В целях расширения спектрального диапазона излучения применяют также
четверные соединения с изовалентным замещением одновременно элементов III
и V групп периодической системы элементов. Примером является соединение
, позволяющее получить излучение в важном для ВОЛС диапазоне длин волн:
равна 1,3 и 1,5 мкм.
Для снижения потерь света на поглощение внутри кристалла С. используют
«широкозонное окно», к-рое позволяет вывести свет из активной области гетероструктуры
через широкозонный эмиттер без потерь на межзонное поглощение.
Рис. 1. Минимумы зоны проводимости GaAS1-xРx для прямого (Г, кривая 1) и непрямого (X, кривая 2) переходов в зависимости от состава твёрдого раствора.
Переизлучение света, излучаемого в направлении к подложке, в спец. фотолюминесцентном
слое, ширина запрещённой зоны к-рого меньше или равна ширине запрещённой
зоны активной области, позволяет в 2-2,5 раза повысить
.
Эти гетероструктуры (рис. 2) называют фотоэлектролюминесцентными (ФЭЛ-структурами).
Рис. 2. Схематическое изображение изменения ширины запрещённой зоны гетероэпитаксиальных ФЭЛ-структур: 1 - область излучательной рекомбинации; 2 - область переизлучения.
В ДГ, содержащей активную узкозонную область, заключённую между двумя
широкозонными эмиттерами, прозрачными для генерируемого излучения, и не
содержащей поглощающий свет подложки (т. н. многопроходные двойные гетероструктуры,
МДГ), фотоны, отразившиеся от поверхности внутрь кристалла, могут после
многократных отражений внести вклад в выходящее излучение. При этом потерь
фотонов на поглощение в активной области Ga1-xAlxAs
не наблюдается в связи с тем, что поглощение происходит с переизлучением,
квантовый выход к-рого близок к 1. Многопроходность приводит к резкому
возрастанию hвн. Так, в С. на основе МДГ Ga1-xAlxAs
(рис. 3) достигнут
= 21% в красной области спектра и 38% в ИК-диапазоне.
Для снижения потерь света на полное внутреннее отражение на границе
полупроводника с окружающей средой применяют следующие меры. 1) Выполняют
кристалл в виде полусферы или усечённой сферы (сферы Вейерштрасса); в этом
случае размер р - n-перехода существенно меньше диаметра полусферы;
2) помещают кристалл в среду с показателем преломления nвозд
< n < nп для увеличения критич. угла (напр., использование
прозрачного эпоксидного компаунда с n = 1.5-1,6 увеличивает выход излучения
из кристалла в 2,5-3 раза); 3) применяют плоские кристаллы с мезаструктурой,
позволяющие за счёт «внутр. фокусировки» излучения повысить вывод излучения
в 2-3 раза; 4) создают диффузно-рассеивающую излучающую поверхность, улучшающую
условия вывода излучения для лучей, падающих на границу раздела под углом,
большим критического; это позволяет повысить вывод света в 1,5-2 раза.
Рис. 4. Типичные спектры излучения светодиодов.
Характеристики светодиодов
Рис. 3. Схематическое изображение изменения ширины запрещённой зоны МДГ в системе Ga1-xAlxAs.
Быстродействие излучающих диодов или предельная частота модуляции излучения
ограничивается временем жизни неосновных носителей:
где
- мощность излучения на частоте w, Р0 - мощность
немодулиров. излучения,
-
время жизни неосновных носителей. Время нарастания и спада излучения по
уровням 0,1-0,9 для С. из высокоэффективных МДГ в системе Ga1-xAlxAs
с красным и ИК-излучением составляет 15- 25 нc.
Технология светодиода основана на использовании эпитаксиальных методов: жидкостной эпитаксии, газотранспортной эпитаксии, МОС-гидридной эпитаксии.
Обобщённые данные по характеристикам светодиодов приведены в табл., а типичные спектры излучения - на рис. 4.
Области применения: сигнальная индикация, подсветка постоянных надписей, отображение мнемонич. информации, блоки матриц бесшовной стыковки для создания бегущих строк и экранов большой площади, устройства дпстанц. управления бытовой и промышленной радиоаппаратурой на основе С. ИК-диапазона, излучатели для ВОЛС, для медицинских приборов, для газоанализа и влагометрии, линейки С. для копировальных и считывающих устройств персональных компьютеров, анализаторов изображения, оптопары и разобщённые оптроны в автоматике, устройства бесконтактного измерения углов между поверхностями, угл. перемещений и угл. скоростей, параметров вибрации, ухода гидроприборов и т. п.
Л. М. Поган
|
|
 |
