Измерение диаграммы направленности полупроводниковых источников оптического излучения, страница 2

Рекомбинация электронов и дырок, происходящая в полупроводниковой p-n-структуре после приложения прямого смещения, необязательно связана с излучением кванта света (фотона). Значительная часть актов рекомбинации заканчивается выделением энергии в виде элементарных квантов тепловых колебаний кристаллической решетки (фононов) Эти акты и называются безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными рекомбинациями в диодной структуре характеризует ее внутренний квантовый выход, который является важнейшим показателем эффективности светоизлучающего прибора.

Ток, протекающий через СИД, содержит электронную i_n и дырочную i_p составляющие: i_д = i_n + i_p. В излучательной рекомбинации участвует только ток, обусловленный инжекцией электронов в базу [12]. Показатель эффективности излучающего p-n перехода – внутренний квантовый выход – определяется по формуле:

, где N_ф – интенсивность генерации фотонов в базовой области; q – заряд электрона.

В современных светоизлучающих диодах, изготовленных из упомянутых выше материалов, достигнутый уровень внутреннего квантового выхода составляет единицы процентов. Практически этого оказывается достаточно для создания качественных приборов [11, 13].

Однако следует отметить, что не все фотоны, возникшие в результате излучательных рекомбинаций, могут покинуть пределы прибора. Часть из них поглощается по пути к оптической поверхности диода, а часть отразится от поверхности внутрь. Излучательная эффективность с учетом этих потерь характеризуется внешним квантовым выходом излучения:

, где у – коэффициент инжекции p-n-перехода; К – коэффициент, характеризующий потери излучения при его выводе из СИД через оптическую систему.

Светоизлучающие диоды в зависимости от спектра излучения подразделяются на излучающие в видимой области спектра (0,45... 0,68 мкм) и излучающие в инфракрасной области спектра (выше 0,7 мкм).

2.2. Использование p-n-гетероструктур в светоизлучающих приборах

Для возбуждения электронов в зону проводимости или, как говорят, для накачки, используется инжекция носителей (создание избыточной концентрации неравновесных носителей для последующей рекомбинации и генерации излучения квантов света). Если обе стороны перехода сильно легированы, то прямое смещение вызывает инжекцию электронов в p-, а дырок – в n-область. Получение оптической энергии на входе оптоэлектронных устройств оказывается очень простым: для этого достаточно подать напряжение на вход прибора (задается прямое смещение p-n-перехода) и обеспечить прохождение тока по прибору. Путем изменения тока инжекции можно менять оптическую модуляцию. Такой способ называется прямой (непосредственной) модуляцией.

Для изготовления светодиодов и полупроводниковых лазеров наиболее перспективны структуры с p-n-гетеропереходами. Гетеропереходами называются переходы между полупроводниками из различных материалов, имеющих различную ширину запрещенной зоны ∆E_g . Для получения гетеропереходов хорошего качества параметры кристаллических решеток полупроводников, образующих переход, должны быть близки.

Энергетическая диаграмма p-n-перехода приведена на рис. 3 [1]. В состоянии термодинамического равновесия энергии уровней Ферми E_f для обеих областей одинаковы. Контактирующие полупроводники имеют различные значения ширины запрещённой зоны E_g1 и E_g2, диэлектрических проницаемостей ε₁ и ε₂ и работ выхода. По обе стороны границы возникает объемный заряд, который приводит к искривлению энергетических зон. Из-за различия работ выхода на границе раздела появляются разрывы зоны проводимости ∆E_c и валентной зоны ∆E_v.

Различные значения потенциального барьера для встречных потоков дырок и электронов приводит к односторонней инжекции носителей из широкозонного эмиттера в узкозонную базу при прямом смещении перехода.