Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Подробное изучение светодиодов проведено в работе [2], а вопросам
практического использования светодиодов в качестве источников света,
дисплеев и оптронов посвящена работа [3].
После открытия в 1954 г. мазера и последующей разработки оптических и
рубиновых лазеров [5, 6] было предложено использовать полупроводники в
качестве материала для лазеров [7-10]. В 1961 г. на основе теоретических
расчетов [11J были найдены условия, необходимые для осуществления режима
генерации лазерного излучения с использованием концепции квазиуровней
Ферми. В 1962 г. в работе [12] было показано, что генерация
Светодиоды и полупроводниковые лазеры
271
может быть практически реализована в прямозонных полупроводниках, и были
найдены важнейшие критерии для такого режима. В том же 1962 г. три группы
авторов почти одновременно сообщили об осуществлении режима лазерной
генерации в полупроводниках [13-15]. Было получено импульсное излучение с
длиной волны 0,84 мкм в р - n-переходах на основе GaAs, смещенных в
прямом направлении и охлажденных до температуры жидкого азота. Вскоре
после этого появилось сообщение о получении генерации излучения на длине
волны 0,71 мкм в р - "-переходе на основе тройного соединения GaAsj^P*
[16]. В 1970 г. авторы работы [17] реализовали режим непрерывной
генерации при комнатной температуре в лазерах на основе двойных
гетеропереходов. Впервые структуры такого типа были предложены в работах
[18, 19].
Со времени этих первых открытий было найдено множество новых материалов
для лазеров. Диапазон длин волн когерентного излучения включает близкую
ультрафиолетовую, видимую и дальнюю инфракрасную области спектра (от ~0,3
до ~30 мкм). Полупроводниковые лазеры рассматриваются как основные
источники света для волоконно-оптических систем связи. Они могут найти
также широкое применение во многих областях фундаментальных исследований,
таких, как газовая спектроскопия высокого разрешения и контроль
атмосферных загрязнений. Свойства лазеров на основе гетероструктур
подробно рассмотрены в работах [20, 21 ].
12.2. ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Светодиоды и полупроводниковые лазеры принадлежат к классу люминесцентных
приборов. Люминесценцией называется оптическое излучение (в
ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра), возникающее
в результате электронного возбуждения материала, в отличие от теплового
излучения, обусловленного только тепловым нагревом материала. На рис. 1
приведена диаграмма электромагнитного спектра. Несмотря на то что
возбуждение излучения на разных длинах волн осуществляется разными
методами, природа излучения ео всех случаях одинакова. Излучение, видимое
человеческим глазом, лежит в узкой области длин волн примерно от 0,4 до
0,7 мкм. На рис. 1 показаны основные цветовые зоны видимого излучения от
фиолетовой до красной. Инфракрасная область простирается от 0,7 до --
'1000 мкм, а ультрафиолетовая область включает длины волн от 0,4 до ~0,01
мкм (т. е. 100 А, или 10 нм). В этой и последующих главах нас в основном
будут интересовать области длин волн от близкой ультрафиолетовой (~0,3
мкм) до близкой инфракрасной (~1,5 мкм).
272
Глаеа 12
Энергия.,.
эВ
Частота,
Гц,
Длина волны, мкм
ю9
Но8 о7
г:
О'1
О'2
о-з
О"4
О'5
О'6
о-7
0'S
о-9
0-10
о*11
о-12
0-13
л-14
О23-
О22
0*1
0го
01Э_
0!8 _ О17
o'(r) J
л!5
Космические
лучи
Гамма -излучение
Рентгеновское
излучение
~'Ж'ПзГпрад)иолето-С' [бое излучение \ <.г;1Шг • 'излучении
Инерракрасное_
излучение
Длинноволновые >- электрические < колебания
о~э
о-8
0-7 Г6
1-5
/
k if
'I
/I 7
/Г/ 0-?-У^/
О"1 ^f/
!-4
гЗ
А
МКМ
^-0,01
сверх-
дальний
0,20
| дальний
0,30
ближний
о3-
04
05 0s
0ю
о"
О1*
о'з
О14
Видимый
''Диапазон
\
\
V
. \
V,
V? 1
V
1 ч-~ W \-*
\
-f>- 0,390
Ьриолетовый
-0,455
голубей
0,492
зеленый
¦0,577
желтый
0,597 "
оранжевый 0,622
красный
¦0,770
! ближний
•1,5
средний ер
дальний
-40
сверхдальний юоо
Рис. 1, Диаграмма электромагнитного спектра.
В зависимости от источника энергии возбуждения люминесценцию можно
разделить [22] на: 1) фотолюминесценцию (возбуждение оптическим
излучением); катодолюминесценцию (возбуждение под действием пучка
электронов, или катодных лучей); 3) радиационную люминесценцию
(возбуждение другими быстрыми частицами или излучением высокой энергии) и
4) электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем или током). Мы
будем рассматривать в основном электролюминесценцию, и прежде всего
инжекционную электролюминесценцию, которая представляет собой оптическое
излучение, возникающее при инжекции неосновных носителей в область
полупроводникового р - /г-перехода, где имеются излучательные переходы.
Светодиоды а полупроводниковые тзсры
273
_________/ \___________________________f \-.
И) (2) (3)
Рис. 2. Основные переходы в полупроводнике [23].
ф электрон; О дырка.
На рис. 2 схематически представлены основные переходы в полупроводнике
[23]. Эти переходы можно классифицировать следующим образом. Во-первых,
