Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
безызлучательные процессы. Эффективность люминесцен-№И определяется 'как
отношение энергии, связанной с излучатель-ным процессом, к полной энергии
возбуждения. Для того чтобы рассчитать эффективность, воспользуемся
простой моделью [Л. 5, 6], изображенной на рис. 4, в соответствии с
которой предполагается, что имеется один уровень захвата с энергией Et от
дна зоны проводимости, плотностью ловушек Nt и плотностью захваченных
электронов п(. Примем также, что имеется один излучательный уровень,
расположенный на Ei выше потолка валентной зоны с плотностью состояний
Ni. На рис. 4 G - скорость генерации пар электрон - дырка, а остальные
символы представляют те или иные скорости, связанные со следующими
процессами:
Р - с излучательной рекомбинацией, обусловленной захватом электрона
пустым излучательным центром;
о.о - с безызлучательной рекомбинацией, обусловленной захватом дырки из
валентной зоны на заполненный уровень; о,1 - с захватом электрона
ловушкой;
а2 - с созданием пустого излучательного центра вследствие захвата дырки
(или освобождения электрона);
Yi - с тепловым выбросом захваченного электрона в зону;
¦\2 - с тепловым заполнением пустого излучательного центра за счет
захвата валентного электрона (или освобождения захваченной дырки).
Уравнения, характеризующие изменение концентраций свободных п и
захваченных nt электронов в стационарных условиях, имеют вид:
dn
-^- = 0=G - <x,n (Nt - щ)-tyipi + t(6a)
dnt
- = о = atn (Nt - nt) - a"ntp - Y,/If, (66)
dt
где p} - плотность дырок, захваченных излучательным уровнем.
Аналогичные уравнения могут быть написаны для концентрации свободных р и
захваченных pi дырок. Комбинация уравнений (6а) и (66) дает:
G=pnpi+aBntp. (7)
Первый член в правой части уравнения Рnpt связан с процессами
излучательной рекомбинации, в то время как второй член соответствует
безызлучательному процессу. В связи с этим эффективность излучения
представляется выражением
Рnpi _ 1
13 G' (. "оЩР \ ^
V Р "А )
Прн низких уровнях возбуждения можно принять, что преобладает тепловое
равновесие между ловушками для электронов и зоной Проводимости и между
излучательными центрами и валентной зоной. Тогда
- rif); ^
ЧъРъ ^ аъР ¦ Pi) ¦ }
Кроме того, принимается, что уровень Ферми располагается между Ei и Ei.
Таким образом,
Nt-rit^Nf, (Юа)
¦Nt-p^Nt (106)
и
"* ( Nt\ Г (Et-EL)1
pi J p L kT ]• im
Выражение для эффективности приобретает вид:
1
Г, , Nt "О Р ( Et - El \ 1 W~)\
(И)
Эффективность высока, если Ni3>Nt и Et-Ei~S>kT, т. е. уровни,
соответствующие излучательным центрам, являются мелкими и число их
велико. Уравнение (11) показывает, кроме того, что с ростом температуры
экспоненциальный член растет, что приводит к понижению эффективности с
температурой.
4. Методы возбуждения. Способы возбуждения электролюминесценции могут
быть различны. Существует межзонное возбуждение, инжекция, лавинное
возбуждение и возбуждение при туннелировании, которые мы здесь кратко
рассмотрим.
Рнс. 5. Диаграмма энергетических зон и спектр излучения для р-п перехода
в GaP, легированном 'Cd.
а - диаграмма, энергетических зои для р-п перехода в GaP, легированном
Cd. Cd-О-комплексы, образованные кадмием и кислородом. Переходы между
экситоиным уровнем Cd-О-комплекса и акцепторным уровнем Cd дают красное
излучение. Переходы между доиорным уровнем S и акцепторным Cd дают
зеленое излучение {Л. 7]; б - экспериментальный спектр излучения диода
[Л. 7а1.
А. Межзонное возбуждение. Если порошкообразный полупроводник
(например, ZnS) запрессовать в диэлектрик (пластмассу или стекло) и
подвергнуть воздействию переменного электрического поля (обычно на
звуковых частотах), то может возникнуть электролюминесценция.
Эффективность ее, как правило, низка (около 1%). и такие материалы
применяются только в индикаторных устройствах. Основным механизмом
является в этом случае ударная ионизация ускоренных электронов и полевая
эмиссия электронов с центров захвата [Л. 3].
Б. Инжекция. При приложении прямого смещения инжекция неосновных
носителей в р-п переход может привести к возникнове-
а)
1,г 1,ь i,6 i,8 г,о г,г
Энергия (ротона, эв
б)
нию излучательной рекомбинации. На рис. 5,а приведена энергетическая
диаграмма р-п перехода в GaP, легированном Cd {Л. 7]. Показаны различные
переходы для рекомбинации электрон - дырка. Переход между энергетическим
уровнем экситгга. образованного
ю к ~° г,
экстракции не ~\ основных электронов
Соударение дырки с одра -Заданием пары
Соударение электрона с решеткой с образованием пары
Ток экстракции неосновных дырок
* -о +
Материал], Область прост-- ] Материал p-типа I рамтвеннсга ¦ п-гоипа
заряда
Рис. 6. Диаграмма энергетических зон р-п перехода, находяшегося под
обратным смещением [Л. 8].
кислородно-кадмиевым комплексом, и акцепторным уровнем кадмия в основном
обусловливает красную полосу (около 1,8 эв), как показано [Л. 7а] на рис.
5,6. З'еленая полоса соответствует переходам между донорным уровнем серы
