Механизм излучательной рекомбинации в p-n-переходах

Физика полупроводниковых светоизлучающих диодов

Если в полупроводнике возбуждаются неравновесные электронно-дырочные пары, то частьих энергии при рекомбинации может излучаться в виде квантов света. Такой процесс называется излучательной рекомбинацией. Один из наиболее удобных способов создания электронно-дырочных пар в полупроводнике – это пропускание прямого тока через p-n-переход. При прохождении прямого тока через p-n-переход, электроны (рис. 1)из n-области переходят (инжектируются) в p-область. Так как в p-области имеется большая концентрация дырок, то перешедшие электроны рекомбинируют с дырками. Процесс рекомбинации электронов и дырок может сопровождаться излучением квантов света в том случае, если выделяемая при этом энергия значительно превышает ту, которую может поглотить решетка. На этом принципе работают светоизлучающие полупроводниковые приборы – светодиоды.

Излучательная рекомбинация – единственный физический механизм генерации света в светоизлучающих диодах. В обобщенном виде механизм» излучательной рекомбинации можно классифицировать следующим образом (см. рис. 2).

а). Межзонная рекомбинация, при которой электрониз зоны проводимости переходит в валентную зону на место дырки непосредственно, излучая энергию, несколько большую ширины запрещенной зоны.

б), в). Рекомбинация свободных носителей на примесных центрах; электрон - акцептор или дырка - донор, при которой носитель захватываетсяна свой примесный центр, а затем рекомбинирует со свободным носителем противоположного знака.

г). Межпримесная или донорно-акцепторная рекомбинация, при которой носители захватываются на свои примесные центры, а затем электрон переходит с донора на акцептор в процессе акта излучательной рекомбинации; для такого перехода необходимо частичное перекрытие волновых функций электрона и дырки.

Рассмотрим зависимость энергии свободного электрона, находящегося в вакууме, от его импульса (рис. 3). Энергия такого электрона:

, (1)

где - скорость свободного электрона; m₀ - его масса.

Рис. 3.

Зависимость, представленная на рис. 3, является энергетической диаграммой свободных электронов в вакууме, изображенной в пространстве импульсов (или в пространстве волновых векторов , поскольку ).

Рис. 4.

Зона проводимости полупроводника может быть образована из нескольких перекрывающихся между собой разрешенных энергетических зон. Соответственно структура энергетических зон или энергетическая диаграмма полупроводника в пространстве квазиимпульсов (или в k - пространстве) может иметь несколько минимумов (рис. 4). Например, на энергетической диаграмме арсенида галлия зона проводимости кроме центральной долины с минимумом энергии при волновом векторе k = 0 имеет еще боковые долины с минимумом энергии, который отличается от предыдущего. Из этой энергетической диаграммы следует, что в зоне проводимости арсенида галлия могут существовать электроны, обладающие одной и той же энергией, но имеющие различные квазиимпульсы, а следовательно, и различные эффективные массы:

, (2)

Если Р₁< Р₂. то , а это значит, что , где – подвижность электронов:

, (3)

где – время релаксации.

Таким образом, в полупроводнике (арсенида галлия) могут существовать свободные электроны с разными подвижностями: "легкие" электроны с малой элективной массой и большой подвижностью в центральной долине, и "тяжелые" электроны с большой эффективной массой и с малой подвижностью в боковых долинах.

Рассмотрим механизмы излучательной рекомбинации, которые наиболее часто реализуются в светоизлучающих диодах.

1). Излучательная рекомбинация за счет прямых излучательных переходов зона – зона (рис. 4а) осуществляется в прямозонных полупроводниках (GaAs, InAs, InSb, их твердых растворах GaAlAs и др.). В этих полупроводниках абсолютный минимум зоны проводимости находится при том же значении квазиимпульса , что и максимум валентной зоны. При межзонном переходе электрона в этом случае значение квазиимпульса электрона не изменяется, т.к. импульс фотона много меньше среднего значения квазиимпульса электрона. Такой переход с сохранением квазиимпульса характеризуется высокой вероятностью и является излучательным. Положение максимума спектральной полосы излучения зависит прежде всего от ширины запрещенной зоны полупроводника. Если < 1,6 эВ, то излучение лежит в инфракрасной области спектра ( > 0.8 мкм). Если 1,6 эВ< < 3,1 эВ, то межзонное и близкое к нему "примесное" излучение лежит в видимой области спектра (0,4 мкм < < 0,8 мкм). Выбирая полупроводник и регулируя его примесный состав, можно получить излучение в широком диапазоне длин волн.

2). Если положения абсолютных экстремумов C- и -зон не совпадают, то при излучательном переходе должно происходить изменение квазиимпульса электрона (рис. 4б). Для соблюдения законов сохранения часть энергии и избыточный квазиимпульс должны передаваться третьему "телу" – примесному атому или кванту колебаний решетки – фотону. Такие переходы называются непрямыми. Поскольку для непрямого перехода необходимо взаимодействие трех "частиц", то его вероятность много меньше вероятности прямого перехода.

Поскольку излучение диодов рекомбинационное (т.е. люминесцентное), а не тепловое, его спектральное распределение (рис.5) намного уже спектрального распределения излучения черного тела, к которому близок спектр ламп накаливания. Светодиоды имеют важные практические применения как приборы отображения визуальной информации, т.к. коэффициент преобразования электрической энергии в световую в них велик. Из освоенных в настоящее время полупроводниковых материалов наилучшими с точки зрения коэффициента полезного действия являются соединения GaAsP. Ширина запрещенной зоны этих соединений увеличивается от 1,424 эВ (чистый GaAs ) до 1,977 эВ (соединения GaAsP).