Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Посколькусостояния, расположенные ниже уровня Ферми, заполнены,поглощение,связанноеспереходамивэтисостояния,невозможно. Возможны только переходы на более высокие уровни,поэтому край спектра собственного поглощения в вырожденных полупроводниках смещается в сторону больших частот(энергий). Если же поглощение связано с переходом электроновс уровней акцепторов Е а в зону проводимости или из валентнойзоны на уровни доноров Ед (переходы а и с на рис.16.1), а такжена уровни ловушек Е 1 (переходе), то это приводит к смещениюспектра по сравнениюс границей собственного поглощения всторону меньших энергий или больших длин волн.
Однако вероятность этих переходов на несколько порядков меньше, чемсобственных (а-10 3 см- 1 ). В примесном полупроводнике поглощение светаможет происходить за счет перехода носителеймежду границей валентной зоны или зоны проводимости и соответственно примесными уровнями Е а и Ед в запрещенной зоне(переходы Ь и .d на рис.16.1, обусловленные термической ионизацией атомов примесей 1 ).
Для таких переходов коэффициент поглощения еще меньше (а-10 ... 102 см-1).1 В связи с этим приемники ИК диапазона, использующие примесное поглощение, охлаждают до криогенных температур(-77 К).Раздел4564.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИЭкситонное поглощение.Экситонэто квазичастица, пред-ставляющая собой связанную электронно-дырочную пару, возникающую при возбуждении электрона валентной зоны энергией, меньшей энергии ширины запрещенной зоны. Экситон обладает нулевым спином, поскольку спины электрона и дыркиантипараллельны. При размерах экситона (расстоянии междуэлектроном и дыркой), заметно превышающих период решетки,взаимодействие.
электрона и дырки представляет собой кулоновское притяжение между положительным и отрицательным зарядом, ослабленное средой. В полупроводниках с прямыми переходами образование экситона сопровождается появлением оченьузкого пика, а при непрямых переходах появляются ступенькина краю спектра собственного поглощения (пики наблюдаютсяпри Л.::;::, \~Рине показаны на рис.16.2).На рис.16.1переходыf,g, h (позиция 3) иллюстрируют экситонное поглощение (а. - 10".102 см- 1 ).
Переход f определяет свободный экситон, а g,h - связанные экситоны. Связанные экситоны возни.кают припоглощениисветаполупроводником,притакое возбуждение электронов и дырок,которомвозникает:когда :кулоновскоевзаимодействие между ними приводит к объединению их с образованиемионоподобных или молекул.ярноподобных комплексов. Переходыg, hна рис.16.1иллюстрируют случай, когдасвободна.я дырка объединилась с нейтральным донором (обозначен знаком «ПЛЮС», переход-снейтральным акцептором (обозначен знаком «минус•, переходh ).g)или свободный электронВ результате образовались экситонные ионы.Поглощение свободными носителями заряда.
При поглощениифотонов свободные электроны переходят с одного уровня на другой в пределах той же зоны (см. рис.16.1,переходыциент поглощения свободными носителями (а. пропорционален ихконцентрации,4). :Коэффи10".103 см- 1 )квадрату длины волны падающего света и обратно пропорционален эффективной массеносителей и времени их релаксации. Спектр поглощения свободными носителями практически непрерывный и смещен в длинноволновую часть оптического диапазона.Решеточное поглощение. Многие полупроводниковые материалы состоят из атомов различного типа, которые можно рассматривать как электрические диполи.
В таких полупроводниках,какSi, Geи др., диполи индуцируются световой волной. Наиба-Глава16. Оптоэлектронные457приборылее сильное поглощение наблюдается, когда частота собственныхколебаний диполей близка к частоте падающего оптическогоизлучения. Такое поглощение связано с возбуждением колебаний кристаллической решетки и(а~1 ... 10 см- 1 ,см. рис.16.1,называется решеточнымпереходы5).Решетка кристаллапоглощает свет только при определенных значениях энергии фотона, поэтому спектр решеточного поглощения характеризуете.ярядом пиков поглощения, лежащих в далекой инфракрасной области спектра.
При взаимодействии света с решеткой поглощаются только такие фотоны, импульс которых равен квазиимпульсу фонона, который мал по сравнению с импульсом фотона;поэтому, как следует из закона сохранения импульса, испускается, как правило, несколько фононов, что и определяет сложную структуру спектра поглощения колебаниями решетки.Таким образом, при собственном и примесном поглощенияхобразуется избыточная (неравновесная) концентрация свободных носителей за счет квантовых электронных переходов между энергетическими уровнями. Экситонное, фононно-решеточное и поглощение на свободных электронах вызывают в конечном счете лишь разогрев кристаллической решетки.Возникновение свободных носителей заряда под действиемизлучения приводит к увеличению проводимости материала (фоторезистивный эффект) и изменению контактной разности потенциалов в электрических переходах, что сопровождается по.явлением фото-ЭДС (фотовольтаический эффект).
Эти два эффекта и используются в основном при создании фотоприемников,хотяимеется еще ряд фотоэлектрических эффектов, связанных с возникновением свободных носителей.Излучение света полупроводниками.Излучающие приборыпреобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения. В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит .явление электролюминесценции.Электролюминесценция-электрического-поляценции. ЛюминесценцияИзлучение света телами под действиемявляется-частнымслучаемлюминесэто явление излучения света, избыточное над равновесным тепловым излучением тела при данной температуре, с длительностью, значительно большей периода световых волн.
Эти особенности позволяют выделить люминесценциюсреди других явлений вторичного свечения, в частности таких,как отражение и рассеяние света, тормозное излучение заряженных частиц и индуцированное излучение.Раздел4584.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИВ излучающих приборах используются два наиболее характерных вида электролюминесценции твердых тел: предпробойная, происходящая в порошковых и пленочных электролюминофорах, и инжекционная, вызванная рекомбинацией электронов и дырок в переходах, включенных в прямом направлении.В рабочем диапазоне длин волн интенсивность светового потокаизлучающих приборов должна многократно превышать интенсивность фонового излучения окружающей среды.16.З. СветодиодыСветодиод-полупроводниковый излучающий прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного оптического (светового) излучения.
Используются светодиоды воптических линиях связи, модуляторах, индикаторных устройствах, в оптопарах и т. д.В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанноес самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Излучение обусловлено рекомбинацией неравновесных носителей ипроисходит в р-п-переходе и прилегающих к нему областях.Одно из главных требований, предъявляемых к индикаторным светод:иодам,-спектр излучения должен попадать в видимый диапазон.
Поскольку в светодиодах основную роль играетмежзонная излучательная рекомбинация, необходимая шириназапрещенной зоны полупроводников определяется граничнымичастотами фотонов Укр и УФ видимого диапазона: hУкр .-;;;; ЛЕ 3т. е.1,8 эВ<ЛЕ 3= (hY) < 3,2 эВ..-;;;;hУФ,Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны используемого полупроводника ток рекомбинации через р-п-переходы оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях(см.п.2.3),т. е.процесс рекомбинациив этомслучаереализуется в основном в р-п-переходе. В светодиодах возможнополучить излучательную рекомбинацию и при подаче обратныхсмещений, достаточных для ударной ионизации атомов в рп-переходе (см.
п.2.3).Образовавшиеся в результате ионизациинеравновесные носители рекомбинируют в р-п-переходе с излучением света, однако такие приборы менее эффективны.Глава16. Опто~ектронныеприборы459В качестве основных полупроводниковых материалов длясветодиодов применяют арсенид галлиянитрид галлияGaP,GaN,ный твердый раствор фосфида игде хе0 ... 1,GaAs, фосфид галлияSiC, трехкомпонентарсенида галлия GaAs 1 _ хр х•карбид кремнияи ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений. Использование этих материаловпозволяет создать светодиоды, работающие в ИК, видимой иУФ областях спектра.
КПД рассматриваемых приборов в основном зависит от внутреннего квантового выхода Т\Ф' который равенотношению количества излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей. Вероятность излучательной рекомбинации, определяющая внутренний квантовый выход, непосредственно связана с видом переходов в используемом полупроводнике.Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми переходами во много раз больше, чем с непрямыми.Светодиоды на основе фосфида галлия. На рис.х ~1,0)16.3(криваяпредставлена энергетическая диаграмма чистого фосфида галлия, где минимумы энергии дна зоны проводимости= [J 1при значении импульса рсоответствуют прямым переходам (ширина запрещенной зоны ЛЕ 3= 2,8 эВ),а при р= [J 2 -непрямым переходам (ЛЕ 3 =фосфид галлия2,26 эВ).
Следовательно, чистыйGaP относится к непрямозонным полупроводникам. Квантовый выход для таких переходов незначителен, однакоонширокоиспользуетсядляизготовлениясветодиодов,так как обеспечивает излучение в ви-димой области спектра, что необходимо дляприменения виндикаторныхустройствах.Е, эВ3x=~GaPДля увеличения эффективности излучательныхзонных.емпроцессоввполупроводникахпримесей создают рекомбинационные центры-ловушки. Например,при введении кадмиямедиCu,азотаакцепторногоNCd,0,6~~о,~непрямовнедреницинкаZn,21образуются ловушкитипа,уровниэнергиикоторых относительно потолка валентТ=300Коot(:j111111111111:Аной зоны соответственно равны: (Ев+Р1+ 0,097) эВ для Cd, (Ев+ 0,064) эВ дляРис.16.3460Раздел4.
ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ0,68) эВ для Cu, (Еп - 0,008) эВ для N. Внедрение кислоS приводит к появлению донорных уровней, которые располагаются ниже дна зоны проводимости: (Еп - 0,896) эВдля кислорода, (Еп - 0,104) эВ для серы. Излучательные переходыZn,(Ев+рода О и серымежду донорными и акцепторными ловушками позволяют получить генерацию света на различных длинах волн (рис.16.4, 16.5).При внедрении цинка, кадмия и кислорода реализуется красноеизлучение; кадмия, серы и азота,_ зеленое (см. рис.16.4).
Физические явления, происходящие в фосфиде галлия при наличиипримесей, можно проиллюстрировать на примере легированияазотом. Азот замещает атомы фосфора в узлах кристаллическойрешетки. Азот и фосфор являются элементами одной группыпериодической системы, имеют одинаковую внешнюю, но различную внутреннюю электронную структуру.
Различие в строении приводит к возникновению энергетического уровня ловушкивблизи зоны проводимости. Инжектированные в р-область светодиода электроны попадают сначала на уровни ловушек, которыезатем захватывают дырку из валентной зоны. В результате фотоныCd-0ЭнергиявозбужденияРис.llф.16.4103т100502010521,2= 298кИнфра-красный1,4Красный1,61,'8Рис.2,016.5Зеленый2,2Ензл' эВГлава16. Оптоэлектронныеприборы461рождаются с энергией, примерно равной разности между шириной запрещенной зоны и энергией связи атома ловушки.Зависимость внутреннего квантового выхода 11ср (в относительных единицах) от энергии излучаемых фотонов представлена нарис.16.5.Полный КПД светодиода, излучающего зеленый свет,приблизительно равен0,1 % ,а излучающего красный~3%. Хотя КПД светодиодов с зеленым свечением мал, они применяются в индикаторной технике, поскольку чувствительность глазак зеленому свету в30 раз выше,чем к красному.Светодиоды на основе трехкомпонентных твердых растворов.В светодиодах наиболее часто используются трехкомпонентныетвердые растворы фосфида арсенида галлияGaAs 1 _ хрхтические диаграммы соответствуют кривым при О< хпример х =0,4и0,65на рис.16.3).(энерге< 1,наПри увеличении фосфора врешетке арсенида галлия изменяется энергетическая диаграмма полупроводника (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
