Краткая теория исследуемого явления. В полупроводнике одновременно с процессом генерации – образованием электронно-дырочных пар – происходит обратный процесс – воссоединение электрона и дырки

В полупроводнике одновременно с процессом генерации – образованием электронно-дырочных пар – происходит обратный процесс – воссоединение электрона и дырки. Такой процесс называется рекомбинацией. Энергия выделяется в виде тепловой (безызлучательная рекомбинация) или в виде кванта светового излучения или в виде той и другой.

В зависимости от способа возбуждения электронов различают следующие виды излучения кристаллов:

1) фотолюминесценция – излучение, возникающее в результате возбуждения электронов квантами света с энергией ;

2) катодолюминесценция – излучение, возникающее в результате возбуждения электронов потоком электронов с энергией ;

3) электролюминесценция. Для её осуществления из p - и n -полупро­вод­ников образуют p-n структуру (такая структура называется диодом, а диоды, которые излучают свет – светодиодами) и, прикладывая напряжение к диодам, переводят электроны из n -полупроводника в р -полупроводник. Этот процесс называется инжекцией. В р -полупроводнике электроны рекомбинируют с дырками, в результате чего излучаются фотоны с энергией (рис. 1, а) (переход с излучением фотона указан волнистой стрелкой).

а) б) в) г)

Рис. 1

Однако такая излучательная рекомбинация имеет место только в очень чистых и совершенных по кристаллической структуре полупроводниках и поэтому почти не наблюдается.

В примесных полупроводниках (в качестве примеси могут выступать не только вводимые примеси, но и разного рода дефекты кристаллической решетки – дислокации, вакансии и т.д.) важную роль для излучения играют локализованные центры рекомбинации, энергетические уровни которых попадают в запрещенную зону полупроводника. На рис. 1, б, в, г приведены энергетические диаграммы для трех моделей: б) энергетический уровень центра рекомбинации расположен близко к зоне проводимости; в) энергетический уровень центра рекомбинации расположен близко к валентной зоне; г) имеют место два уровня примеси: основной уровень, расположенный вблизи валентной зоны, имеет большую вероятность захвата дырки и возбужденный уровень, расположенный вблизи зоны проводимости, имеет большую вероятность захвата электрона. После того, как произошли оба захвата (рис. 1, б, в, г,), происходит переход электрона с возбужденного уровня на основной, сопровождающийся излучением света. Переходы, показанные на рис. 1, б, в, г прямыми стрелками, являются безызлучательными, а выделившаяся при таком переходе энергия идет на нагревание кристаллической решетки.

Явления генерации рекомбинационного излучения при инжекции неравновесных носителей в р-n переходе служат для создания широко используемых в технике инжекционных источников инфракрасного (ИК) и видимого излучения. Общность принципов работы оправдывает распространение термина “светодиоды” на оба типа излучателей.

Основная область применения для видимых источников излучения – системы индикации, а для источников ИК-излучения – системы обработки и передачи информации.

Зонная диаграмма полупроводникового излучателя при пропускании через него электрического тока представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Е_с – дно зоны проводимости; Е_v – потолок валентной зоны;

Е_fn, Е_fp – уровень Ферми для электронов и дырок соответственно.

Эффективность излучения светодиода определяется величиной внешнего квантового выхода h.

. (1)

Внешний квантовый выход излучения равен отношению числа электронно-дырочных пар, прорекомбинировавших излучательно (N_изл), к общему числу электронов и дырок, инжектированных в область p-n перехода (N₀) в единицу времени.