Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СВЕТОДИОД

СВЕТОДИОД

СВЕТОДИОД - полупроводниковый диод, излучающий свет припропускании тока через р - п-переход в прямом направлении. Физ. <основу работы С. составляют процессы инжекции неосновных носителейзаряда в активную область р - га-структуры и излучат. рекомбинацииинжектиров. носителей (см. Рекомбинация носителей заряда).

С. включает в себя активный элемент из полупроводникового монокристалла, <в основном в виде кубика («чипа»), содержащего р -re-переход или гетеропереход и омич. контакты. Типичные размеры чипа: 0,3 X 0,3 X 0,25 мм. С. содержиттакже элементы конструкции, предназначенные для сбора излучения, повышениявнеш. оптич. эффективности и формирования необходимой диаграммы направленностиизлучения. С. может иметь два чипа с разл. цветами свечения или один чипс двумя р -n-переходами, излучающими в двух спектральных полосах. <В этом случае возможно управление цветом свечения. С. может содержать такжерезистор или микросхему, позволяющие управлять питающим напряжением С.(см. Интегральная схема, Микроэлектроника). С. могут иметь усложнённуюконструкцию, повышающую эффективность ввода излучения в волокно, если онипредназначены для использования в спец. целях, напр. в волоконно-оптич. <линиях связи (ВОЛС) (см. Волоконная оптика).

С. характеризуются высокой яркостью (тыс. кд/м ²), силой света(до десятков кд), силой излучения (сотни мВт/ср), внеш. квантовым выходом излучения(до 50%), широким спектральным диапазоном (7-0,35 мкм), высоким быстродействием (до единиц не), совместимостью повходным характеристикам с транзисторными микросхемами, а по спектру излученияС. ИК-диапазона - с фотоприёмниками на основе кремния, возможностьюмонолитной интеграции, возможностью ВЧ-модуляции излучения путём модуляциитока накачки (до сотен МГц), низковольтностью электропитания (1,5-4 В),надёжностью и большим сроком службы (до сотен тыс. ч).

Основные механизмы возбуждения светодиода - инжекция носителей заряда иударная ионизация. Инжекция наиб. эффективна в гетероструктурах(ГС). Вследствие разрывов в валентной зоне и зоне проводимости гетеропереходапри смещении перехода в прямом направлении наблюдается односторонняя инжекцияносителей заряда из широкозонного материала в узкозонный практически независимоот уровня легирования п- и р-областей. В двойных гетероструктурах(ДГ) вследствие эффекта электронного ограничения (см. Гетероструктура )повышаетсяконцентрация носителей в активной области структуры. Если толщина активнойобласти d< L, где L - диффузионная длина инжекторов, <носителей, то концентрация носителей в L/d раз превышает концентрациюв гомоструктуре при том же уровне возбуждения. Применение ДГ позволяетповысить внеш. квантовый выход излучения (h _вн) при малых токахнакачки. Ударная ионизация имеет место при обратном смещении р - n -переходадо напряжения электрич. пробоя. Этот механизм введения неравновесных носителейменее эффективен, чем инжекционный.

Излучат, рекомбинация в С. осуществляется в прямозонных полупроводниках(напр., GaAs, InAs, твёрдых растворах при х< 0,4,при х <0,35 и др.), в к-рых абс. минимум зоны проводимости находитсяпри том же значении квазиимпульса, что и максимум валентной зоны. <Переход электрона с сохранением квазиимпульса характеризуется высокой вероятностьюи является излучательным. Длина волны излучения в максимуме спектральнойполосы определяется шириной запрещённой зоны Е _g по примерномусоотношению .Полное число излучат. переходов R в единице объема пропорц. концентрациямэлектронов (n) и дырок ( р )в активной области: R = В _r пр, где В _r - коэф. рекомбинации, равный для прямозонных полупроводников~10^-10 см ³/с.

С. на основе гомопереходов в прямозонных полупроводниках, легированныхт. н. мелкими примесями (см. Примесные уровни), имеют существ. недостаток- сильное поглощение излучения внутри кристалла (коэф. поглощения ~10⁴ см"¹). Снижение потерь па межзонное поглощениедостигается уменьшением энергии излучения за счёт компенсации примесейв активной области (напр., в эпитаксиальной р - n-структуре GaAs, легированнойSi). При сильном легировании и компенсации хаотически расположенный в пространствезаряд примесей создаёт искривление границ зон, при к-ром локальная шириназапрещённой зоны остаётся постоянной (см. Сильнолегированный полупроводник). Этоприводит к тому, что в распределении плотности состояний появляютсяучастки при энергиях ниже зоны проводимости и выше валентной зоны - т. <н. хвосты плотности состояний, пространственно разделённые в обеих зонах. <В С. с такой структурой в излучат. рекомбинации принимают участие глубокиеи удалённые группы состояний. При этом излучаемые фотоны характеризуютсяэнергией, меньшей наглубину потенциальных ям , и поэтому слабо поглощаются в кристалле .Одновременно эти переходы имеют высокую инерционность (быстродействие С. <примерно 0,5-1,5 мкс), т. к. плотность состояний на дне потенциальных яммала. В связи с низким коэф. поглощения внеш. квантовый вход излучениядля приборов с полусферич. кристаллом достигает

В непрямозонных полупроводниках (GaP, GaAs_1-xP_x при х>0,4 и др.) эфф. излучательная рекомбинация может осущестилятьсятолько при наличии определённого примесного центра, изоэлектронно замещающегоодин из атомов соединения. Роль этого центра заключается в том, что нанём образуется связанный экситон. Например, для GaP таким центромявляются N, обусловливающий зелёное свечение, и комплекс Zn - О, обусловливающийкрасное свечение. Азот в GaP изоэлектронно замещает Р. Ввиду того что Nимеет меньший ат. номер, чем Р, меньший ионный радиус и отличается по электроотрицательности, <то образовавшийся нейтральный центр притягивает электрон короткодействующимисилами. После захвата электрона дырка притягивается к заряж. центру кулоновскимисилами и реализуется излучат. переход. Этот экситонный излучат. переходобусловливает бесфононную линию А и её фононные повторения в спектреизлучения.

В непрямозонных полупроводниках наблюдается также эфф. донорно-акцепторнаярекомбинация, при к-рой носители захватываются на свои примесные центры, <а затем электрон переходит с донора на акцептор в акте излучат. рекомбинации. <Примером может служить рекомбинация на донорно-акцепторной паре А1 - Nв 6Н - SiC и 4Н - SiC, приводящая к получению синего (480 нм) и фиолетового (423 нм) свечения.

Для осуществления прямых переходов при большей ширине запрещённой зоны, <чем дают бинарные соединения GaAs, InP и др., применяют трёхкомпопентныетвёрдые растворы прямозонных бинарных соединений с малой и непрямозонных бинарных соединений с большой .Примером такого соединения является , для к-рого Г-минимум прямых переходов расположен ниже X-минимума непрямыхпереходов (см. Зонная теория )в значительной области составов. Твёрдыерастворы и сохраняютпреим. прямые переходы до анергий, соответствующих красному цвету свечения, <а твёрдые растворы и - до энергий, <соответствующих жёлтому и зелёному цветам свечения (рис. 1).

В целях расширения спектрального диапазона излучения применяют такжечетверные соединения с изовалентным замещением одновременно элементов IIIи V групп периодической системы элементов. Примером является соединение , позволяющее получить излучение в важном для ВОЛС диапазоне длин волн:равна 1,3 и 1,5 мкм.

Для снижения потерь света на поглощение внутри кристалла С. используют«широкозонное окно», к-рое позволяет вывести свет из активной области гетероструктурычерез широкозонный эмиттер без потерь на межзонное поглощение.

Рис. 1. Минимумы зоны проводимости GaAS_1-x Р _x дляпрямого (Г, кривая 1) и непрямого (X, кривая 2) переходов в зависимостиот состава твёрдого раствора.

Переизлучение света, излучаемого в направлении к подложке, в спец. фотолюминесцентномслое, ширина запрещённой зоны к-рого меньше или равна ширине запрещённойзоны активной области, позволяет в 2-2,5 раза повысить .Эти гетероструктуры (рис. 2) называют фотоэлектролюминесцентными (ФЭЛ-структурами).

Рис. 2. Схематическое изображение изменения ширины запрещённой зоныгетероэпитаксиальных ФЭЛ-структур: 1 - область излучательной рекомбинации;2 - область переизлучения.

В ДГ, содержащей активную узкозонную область, заключённую между двумяширокозонными эмиттерами, прозрачными для генерируемого излучения, и несодержащей поглощающий свет подложки (т. н. многопроходные двойные гетероструктуры, <МДГ), фотоны, отразившиеся от поверхности внутрь кристалла, могут послемногократных отражений внести вклад в выходящее излучение. При этом потерьфотонов на поглощение в активной области Ga_1-xAl_xAsне наблюдается в связи с тем, что поглощение происходит с переизлучением, <квантовый выход к-рого близок к 1. Многопроходность приводит к резкомувозрастанию h _вн. Так, в С. на основе МДГ Ga_1-xAl_xAs(рис. 3) достигнут = 21% в красной области спектра и 38% в ИК-диапазоне.

Для снижения потерь света на полное внутреннее отражение на границеполупроводника с окружающей средой применяют следующие меры. 1) Выполняюткристалл в виде полусферы или усечённой сферы (сферы Вейерштрасса); в этомслучае размер р -n-перехода существенно меньше диаметра полусферы;2) помещают кристалл в среду с показателем преломления n _возд< n < n _п для увеличения критич. угла (напр., использованиепрозрачного эпоксидного компаунда с n = 1.5-1,6 увеличивает выход излученияиз кристалла в 2,5-3 раза); 3) применяют плоские кристаллы с мезаструктурой, <позволяющие за счёт «внутр. фокусировки» излучения повысить вывод излученияв 2-3 раза; 4) создают диффузно-рассеивающую излучающую поверхность, улучшающуюусловия вывода излучения для лучей, падающих на границу раздела под углом, <большим критического; это позволяет повысить вывод света в 1,5-2 раза.

Рис. 4. Типичные спектры излучения светодиодов.

Характеристики светодиодов

Рис. 3. Схематическое изображение изменения ширины запрещённой зоныМДГ в системе Ga_1-xAl_xAs.

Быстродействие излучающих диодов или предельная частота модуляции излученияограничивается временем жизни неосновных носителей:

где - мощность излучения на частоте w, Р ₀ - мощностьнемодулиров. излучения, -время жизни неосновных носителей. Время нарастания и спада излучения поуровням 0,1-0,9 для С. из высокоэффективных МДГ в системе Ga_1-xAl_xAsс красным и ИК-излучением составляет 15- 25 нc.

Технология светодиода основана на использовании эпитаксиальныхметодов: жидкостной эпитаксии, газотранспортной эпитаксии, МОС-гидриднойэпитаксии.

Обобщённые данные по характеристикам светодиодов приведены в табл.,а типичные спектры излучения - на рис. 4.

Области применения: сигнальная индикация, подсветка постоянных надписей, <отображение мнемонич. информации, блоки матриц бесшовной стыковки для созданиябегущих строк и экранов большой площади, устройства дпстанц. управлениябытовой и промышленной радиоаппаратурой на основе С. ИК-диапазона, излучателидля ВОЛС, для медицинских приборов, для газоанализа и влагометрии, линейкиС. для копировальных и считывающих устройств персональных компьютеров, <анализаторов изображения, оптопары и разобщённые оптроны в автоматике, <устройства бесконтактного измерения углов между поверхностями, угл. перемещенийи угл. скоростей, параметров вибрации, ухода гидроприборов и т. п.

Лит.: Берг А., Дин П., Светодиоды, пер. с англ., М., 1979; КоганЛ. М., Полупроводниковые светоизлучающие диоды, М., 1983; Ishlnatsu S.,Okuno Y., High efficiency GaAlAs, LED, «Optoelectronics - Devices and Technol.»,1989, v. 4, № 1, p. 21; К о г а н Л. М. и др., Новые светоизлучающие диоды,«Электрон. промышленность», 1990, № 9, с. 22. Л. М. Поган.