Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
и акцепторным уровнем кадмия.
Рис. 7. Диаграмма энергетических зон контакта ме-. талл-полупроводник
(вырожденный р-тип).
а - в условиях равновесия; 6 - при обратном смещении [Л. 9].
Подобные результаты были получены на р-п переходах в GaP, легированном
Zn. Сравнительную интенсивность красной н зеленой полос можно изменять,
меняя концентрацию примесей. Яркость
красной н зеленой полос излучения из GaP р-п переходов при ком-
натной температуре достаточно велнка для использования таких переходов в
качестве источников излучения.
В. Лавинный пробой. Если р-п переход нлн контакт металл -
полупроводник находятся под обратным смещением, соответствующим режиму
лавинного пробоя fjl. 8] (рис. 6), генерация электронно-дырочных пар
вследствие ударной ионизации может приводить к возникновению излучения
либо /7ееехол вследствие межзонных (лавинное из-
лучение), либо вследствие внутри-
\ Омический зонных (тормозное излучение) пере-
су контакт ходов.
Г. Туннелирование. Электролюминесценция может возникать в результате
туннелирования как в прямо-, так и в обратносмещенных переходах. Кроме
того, как показано на рис. 7, испускание света [JI. 9] может иметь место
в контакте металл- полупроводник, находящемся под обратным смещением (р-
тип вырожден). Рисунок 7,а соответствует равновесным условиям. Если
прикладывается достаточно большое обратное смещение (рис. 7,6), дырки с
уровня Ферми в металле могут туннелировать в валентную зону и затем
рекомбинировать с электронами, которые туннелировали из валентной зоны в
зону проводимости.
5. Инфракрасные источники излучения на основе арсенида галлия. В
настоящее время наиболее высокая эффективность излучения была
экспериментально получена на диодах из GaAs, находящихся под прямым
смещением. Такой результат не является неожиданным, так как инжекция при
прямом смещении является весьма эффективным методом вследствие того, что
электрическая энергия может быть преобразована непосредственно в фотоны;
GaAs - полупроводник с прямой зоной, а поэтому излучательная рекомб i-
иация в этом материале является процессом первого порядка (фо-ноны не
принимают участия в процессе) [JT. 11]; GaAs технологически наиболее
освоен из всех полупроводников, обладающих прямой зоной.
На рис. 8 представлены разрезы трех электролюминесцентных ¦диодов,
имеющих плоскую (а), полусферическую (б) и параболическую (е) геометрию
{Л. 13].
в)
Рис. 8. Разрез трех электролюминесцентных (ЭЛ) диодов.
а - плоский; б - полусфера [Л. 12]; в - парабола [Л. 131.
При данной внутренней эффективности rj0 внешняя э фектив-ность т) зависит
от двух основных факторов: полного внутреннего отражения; внутреннего
поглощения излучения.
Критический угол 0С, при котором происходит полное внутреннее отражение,
равен 0c=arcsin-=чгде п - коэффициент преломления. Для GaAs, коэффициент
преломления которого равен 3, 6, критический угол равен примерно 16°.
Внутреннее поглощение может быть выражено как ехр]-а(Х)х], где а(Х)-
коэффициент поглощения излучения с .длиной волны X, а х- расстояние от
центра излучательной рекомбинации.
¦При плоской геометрии (рис. -8,а) луч А, возникший у рекомбинационного
центра, ослабляется вследствие поглощения в объеме материала и только
частично отражается от границы раздела с воздухом. Другие лучи (В),
которые пересекают границу раздела полупроводник- воздух под углом 03*0с,
претерпевают полное внутреннее отражение/ Полная эффективность
преобразования электрического сигнала в оптический дается выражением {Л.
12]
где Р-выходная мощность; 4гё/(гё-И)2- коэффициент передачи света из
объема полупроводника в воздух; (1-cos 0С)-телесный угол; Ф(Я)-скорость
генепации фотонов, фотон/сек- см2; Вл - коэффициент отражения от тылового
контакта; а(X) и х - коэффициент поглощения и толщина р- и я-областей
прибора соответственно.
Аналогичные выражения могут быть написаны для эффективности
полусферического г\н и параболического г\Р источников. Основное различие,
однако, заключается в том, что телесный угол в этом случае равен единице.
Таким образом, отношение эффективностей равно:
* Это означает, что для GaAs с п-3,6 в случае полусферического или
параболического источника можно ожидать увеличения эффективности на
порядок по сравнению с плоским источником.
На рнс. 9,а представлены типичные диаграммы направленности [Л. 13] для
структур, изображенных на рис. 8. Очевидно, что для получения требуемой
диаграммы направленности следует задавать ту
<7 4Я =. р ' ^ j jF О cos 6С) X
(X) (1 + Rte~ 2а' (>) *¦) а) x'd\
(12)
^ ф (X) ак
Чн ^я
или
1 -cos 6С
(13)
или иную геометрию прибора. На вставке рис. 9,в показано попе-речное
сечение типового устройства [Л. 10], используемого для измерения
эффективности. Мощность излучения определяется по значению тока короткого
замыкания солнечной батареи. На рис. 9,5 представлена экспериментально
полученная температурная зависимость внешней эффективности
полусферического источника [Л. 10]. Эффективность, как и следовало
