Оптическая и квантовая электроника: Методические указания к лабораторным работам № 1-4: Поглощение света в полупроводниках. Статические характеристики оптопар, страница 5

В светодиоде важно обеспечить такие условия, чтобы рекомбинация инжектированных неосновных носителей заряда происходила излучательным путём. Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к р-n переходу, определяется шириной запрещённой зоны используемого полупроводникового материала и уровнем его легирования. Светоизлучающие диоды, работающие в видимом диапазоне спектра, должны изготавливаться на основе широкозонных полупроводников с E_g1,8 эВ (что соответствует длине волны 0,689 мкм). Следовательно, типичные значения рабочего напряжения U1-4 В. типичные значения рабочего тока светодиодов составляют 0,1-100мА. Они зависят от площади р-n перехода и ограничены нагревом.

Основным достоинством светодиодов как видимого, так и ИК-диапазонов является возможность непосредственного преобразования электрической энергии в световую с высокой эффективностью. Поэтому важными характеристиками светодиодов являются эффективность и спектральные параметры излучения. Эффективность светодиода представляет собой его КПД и связана с внешним квантовым выходом электролюминесценции.

Прогресс в технологии выращивания эпитаксиальных структур за последние 25 лет привёл к увеличению эффективности светодиодов более чем в 100 раз. Разработка технологии гетероэпитаксии и применение сначала одинарных, а затем двойных гетероструктур позволило ещё на порядок увеличить эффективность светодиодов, доводя её до 10 лм/Вт в лучших промышленных образцах. Это стало возможным благодаря использованию широкозонного твёрдого раствора Ga_1-xAl_xAs c прямой структурой энергетических зон при x<0,36. В четырёхкомпонентных  твёрдых растворах (Ga, In, Al)P можно получить прямозонные материалы с E_g≈2,2 эВ.

Светоизлучающие диоды на коротковолновую область видимого спектра, работающие в голубом, синем и фиолетовом диапазонах, могут быть созданы на основе нитрида галлия GaN и гетеропереходов с использованием твёрдых растворов Ga_1-xIn_xN и Ga_1-xAl_xN.

В данной лабораторной работе используются светоизлучающие диоды на основе твёрдого раствора (Ga_1-xAl_x)_0.5In_0.5P на подложке GaAs, работающие в красном и жёлтом диапазонах, и светодиоды на основе твёрдого раствора Ga_1-xIn_xN на сапфировой подложке (Al₂O₃), работающие в синем и зелёном диапазонах.

Время жизни  в возбуждённом состоянии конечно, а в силу неопределённостей Гейзенберга Е~ это приводит к неопределенности в энергии состояния, т.е. к «размытию» энергетического уровня на величину порядка Е. Это естественное или радиационное уширение.

Степень и характер уширения энергетических уровней квантовых систем наиболее отчётливо проявляются при изучении формы спектральных линий, т.е. характерных узких линий испускания или поглощения, отвечающих определённому излучательному квантовому переходу. Исследование энергетического положения, формы и интенсивности спектральных линий в оптическом диапазоне дают ценную информацию о свойствах излучаемых систем.

Распределение интенсивности излучения по частоте в пределах данной линии характеризуется функцией g(ω), которая называется форм-фактором спектральной линии или просто формой линии. Эта функция нормирована :

=1.

Степень «размазанности» излучения по спектру характеризует понятие монохроматичности излучения. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от её максимума или спектральный диапазон ω(), занимаемый группой линий.

Более объективной характеристикой является не абсолютная, а относительная ширина спектра ω/ω₀=/₀, где ω₀ и ₀ – угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

В реальных квантовых системах существует ряд факторов, приводящих к уширению их энергетических уровней и соответственно к уширению спектральных линий. Все виды взаимодействий могут привести к уменьшению среднего времени пребывания частицы в возбуждённом состоянии, таким образом, естественная ширина линии является наименьшей. В твердых телах особенно эффективны процессы релаксации из возбуждённых состояний при взаимодействии с колебаниями решётки и ширина спектральной линии пропорциональна кТ.