Исследование полупроводниковых светодиодов, страница 2

В  области р-n-перехода светодиода происходит весьма эффективное прямоепреобразование электрической энергии в оптическое излучение. Эффективность этого преобразования, называемая внутренним квантовым выходом η_кв, зависит от соотношения вероятностей излучательной А_и и безызлучательной А_би рекомбинаций, определяемых количеством соответствующих переходов в единицу времени: η_кв = А_и /(А_и +  А_би ). Безызлучательные переходы формируют тепловые кванты – фононы, поглощаемые решеткой и повышающие T_СД. При излучательных переходах  должны выполняться как закон сохранения энергии, так и импульса. Поэтому в прямозонных полупроводниках (GaAs, GaN), где энергетический минимум дна зоны проводимости совпадает по шкале импульсов с максимумом потолка валентной зоны,  вероятность излучательной рекомбинации выше, чем в непрямозонных материалах (GaP, InP). Величина η_кв зависит от типа и качества исходного полупроводника (чаще всего  А^IIIВ^V), состава и уровня легирования, структуры р-n-перехода. В инфракрасной области наилучшие результаты получены при использовании в качестве базовых материалов  GaAs  и InP. Для изготовления светодиодов видимого диапазона используют фосфид, нитрид, арсенид галлия, трех- и четырехкомпонентные твердые растворы на их основе: GaAs_1–xP_x, Ga_xIn_1–xP, Ga_xIn_1–xAs_1–yP_y и т. п. Варьируя доли  x, y легирующих материалов, можно изменять λ излучения СД.

Величина внутреннего квантового КПД η_кв самого полупроводникового материала может быть очень высоким, достигая 50 % и более. Но вывести из светодиода удается лишь незначительную часть рекомбинационного излучения, характеризуемую оптическим КПД – η_опт. Потери квантов обусловлены френелевским отражением на грани­це кристалла c воздухом ρ_ф = (n – 1)²/(n + 1)², явлением полного внутреннего отражения при углах падения Θ > Θ_вн = arcsin (1/n), где n – показатель преломления материала СД, поглощением в слое полупроводника. Например  для распространенного GaAs (n = 3,4) ρ_ф превышает 25 %, а угол полного внутреннего отражения составляет всего 17º. В итоге оптический КПД η_опт не превышает 10 %, а полный КПД η₀ с учетом дополнительных потерь на электрических контактах и омических потерь в толще полупроводника оказывается на уровне единиц процентов. Потери квантов, связанные с поглощением, на практике минимизируются максимальным приближением области р-n-перехода к внешней излучающей поверхности светодиода. Френелевские потери можно уменьшить нанесением на излучающую поверхность СД просветляющего слоя с показателем преломления, близким к n^1/2. Увеличить допустимые углы падения, а, следовательно, и выход излучения удается при помещении излучающего кристалла в куполообразный полимерный корпус. Матовые и цветные полимерные корпуса используются в индикаторных  СД и обладают большой шириной Θ_0,5 диаграммы направленности. Прозрачные корпуса в форме усеченной сферы или эллипсоида обладают фокусирующими свойствами и заметно сужают диаграмму направленности СД. Вид диаграммы направленности зависит от взаимного расположения излучающей поверхности кристалла СД и вершины куполообразного корпуса.

Описание установки. Основой лабораторной установки являются блок светодиодов с регулируемым блоком питания, дифракционный монохроматор, фотоприемные устройства и система регистрации измерительной информации (рис.2.1).