Механізм генерації випромінювання в напівпровідниках

Як ясно з самої назви, інжекційна електролюмінісценція, тобто генерація оптичного випромінювання в р-n-переході, об'єднує два процеси: інжекцію носіїв і власне електролюмінісценцію. За допомогою інжекції забезпечується створення нерівноважних носіїв заряду (рисунок 2.2).

За наявності контакту однорідних напівпровідників з різними типами електропровідності рівень Фермі в рівноважному стані повинен бути єдиним. Це приводить до викривлення зон і утворення потенційного бар'єру.

Основна маса дірок з р-слою, де їх багато, дифундує зліва направо в область переходу, але не може подолати потенційний бар'єр і, проникнувши в перехід на деяку глибину, знову повертається в р-слой. Дірки п-слою, як «бульбашки», легко «спливають» по дну валентної зони незалежно від енергії в р-слой і утворюють дрейфовий потік справа наліво. Цей потік врівноважується зустрічним дифузійним потоком дірок р-слою, що мають велику енергію і здатних подолати потенційний бар'єр. Аналогічна картина в русі електронів: електрони р-слою вільно скачуються в n-слой - це дрейфовий струм. Цей електронний потік врівноважується потоком електронів n-слою, що мають велику енергію. При додатку прямої напруги потенційний бар'єр знижується і з'являються дифузійні струми як дірок, так і електронів, тобто збільшується інжекція неосновних носіїв: дірок в n-область, електронів в р-область.

Зазвичай випромінюючою є область тільки по одну сторону р-п- переходу (р-область на рисунку 2.2). Очевидно, бажано, щоб кількість інжектованих носіїв була максимальна саме у випромінюючій (активній) р-області. З цією метою в n-область вводять більше донорної домішки, ніж акцепторної в р-область. Таким чином, у випромінюючій структурі інжекція практично одностороння - з n-емітера в р-базу, і випромінює базова область.

Матеріали випромінюючих структур, як вже наголошувалося, повинні мати широку заборонену зону. У таких структурах опиняється значним і навіть переважаючим рекомбінаційний струм I_рек, викликаний процесами рекомбінації в області об'ємного розряду р-п переходу. Чим більше ширина забороненої зони, тим більше потенційний бар'єр і тим значніше рекомбінація електронів в р-п переході. Ця рекомбінація відбувається зазвичай на глибоких центрах люмінесценції і закінчується генерацією теплової енергії (генерація на центрах рекомбінації 2 – рисунок 2.3). Таким чином, для оптичного випромінювання ці електрони «пропадають», а рекомбінаційний струм I_рек, ними створюваний, знижує ефективність інжекції «випромінюючих» електронів.

Корисною компонентою струму, такою, що забезпечує випромінювальну рекомбінацію в р-базі, є електронний струм I_n інжектований емітером. Ефективність інжекції визначається тим, наскільки струм відрізняється від повного струму I і характеризується коефіцієнтом:

γ= I_n / I = I_n /(I_n + 1_р + I _рек + I _тун + I _пов), (2.2)

де I_р - діркова складова струму, обумовлена інжекцією дірок в n-эмітер (частка I_р тим менше, чим сильніше легований n-эмітер в порівнянні з р-базою);

I_рек - струм безвипромінювальної рекомбінації в області р-п- переходу;

I_тун - тунельний струм, обумовлений «просочуванням» носіїв крізь потенційний бар'єр (I_тун тим більше, чим вужче р-п-перехід, чим сильніше легована база і чим більше пряма напруга);

I_пов - струм витоку по поверхні р-п-переходу.

При Інжектуванні в р-базу електрони рекомбінують там поблизу p-n-перехода, при цьому разом з рекомбінацією, яка забезпечує генерацію оптичного випромінювання (центри рекомбінації 1) існують механізми безвипромінювальної рекомбінації, що не дають випромінювання. До найважливіших з них відноситься рекомбінація на глибоких центрах люмінесценції; електрон може переходити у валентну зону не безпосередньо, а через ті або інші центри рекомбінації, створюючі енергетичні рівні в забороненій зоні. В цьому випадку енергія рекомбінації частково виділяється у вигляді довгохвильових фотонів, частково переходить в теплові коливання решіток (центри рекомбінації 3). В якості центрів виступають домішки і структурні дефекти. Особливо шкідливі домішки, створюючі рівні поблизу середини забороненої зони (глибокі центри). До таких домішок належать мідь, нікель, кобальт, хром, золото і деякі інші.