Приложения Методические пособия для расчетных и лабораторных работ

ЗАДАНИЕ

Определить длину волны излучения и внешний квантовый выход для

СИД на основе (A) Ga_0,9Al_0,1As/GaAs, (B) GaAs_0,6P_0,4/GaAs,

(C) GaAs_0,4P_0,6(N)/GaP и (D) GaP(N)/GaP

Варианты и исходные данные

N_D=1.10¹⁷см^-3

Толщина просветляющего покрытия d_П =1мкм

Толщина базы р - типа d_Б = 2мкм

Толщина эмиттера n – типа d_Э =10мкм

Концентрация носителей тока(N_A) и плотность дислокаций (N_d)

	Варианты
Nd \ NA	1.1017	2.1017	5.1017	8.1017	1.1018
5.103	1	2	3	4	5
1.104	6	7	8	9	10
5.104	11	12	13	14	15
1.105	16	17	18	19	20
5.105	21	22	23	24	25

Вывод излучения

	Пластмасса	Si3N4	As-стекло
Вариант	a	в	c

Порядок выполнения работы

1. описать технологию получения заданной структуры;

2. по уравнению (1) найти  и определить цвет излучения ;

3. по уравнению (4) и таблице 2 рассчитать _и

4. по уравнению (5) и таблице 3 рассчитать _б

5. по уравнению (7) и таблице 1 найти ;

6. по уравнению (8) рассчитать к

- без просветляющего покрытия с учетом (9);

- с просветляющим покрытием с учетом (10);

2. по уравнению (3) и (6 для легированных N) найти _вн ;

3. по уравнению (2) найти  для СИД без и с просветляющим покрытием;

4. изобразить структуру СИД и график потерь излучения ( - f(d)).

Разработал Вигдорович Е.Н.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИД

Методическое пособие

для лабораторных и курсовых работ

Формирование излучения полупроводниковых (п/п) светодиодов можно условно разделить на несколько этапов:

- создание инжекции носителей в p-n переходе;

- создание условий для рекомбинации неосновных носителей и соответственно

для генерации излучения;

- вывод излучения из объема и через поверхность п/п.

Наибольшее распространение в приборных разработках получила инжекционная электролюминесценция, реализуемая в р-п переходах при прямом смещении. Снижение при этом высоты потенциального барьера выводит систему из равновесия и сопровождается инжекцией электронов в p-область, а дырок в n-область. Возвращение системы в равновесное состояние сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей. Известно два основных процесса рекомбинации. Первый процесс сопровождается испусканием квантов излучения (излучательная рекомбинация), второй процесс является алтернативным, при котором энергия возбуждения передается кристаллической решетки (безизлучательная рекомбинация). Длина волны (,мкм) при излучательной рекомбинации определяется шириной запрещенной зоны (Е_g,эВ) в соответствии с уравнением

 = 1,24/Е_g (1)

Эффективность разрабатываемого излучателя характеризуется внешним квантовым выходом

 = _вн  к (2)

где _вн - внутренний квантовый выход

 - коэффициент инжекции;

к - коэффициент вывода света.

Внутренний квантовый выход можно выразить следующим уравнением

_вн = _б / (_б + _и ) (3)

где _б -безизлучательное время жизни неосновных носителей (с.)

_и -излучательное время жизни неосновных носителей (с.).

Для полупроводников р-типа излучательное время жизни инжектированных электронов в р - область определяется коэффициентом захвата В (см³/ c) и концентрацией акцепторов N_A (см^-3)

_и =1/( В N_A ) (4)

Коэффициент захвата (В) в основном зависит от вида межзонного перехода, от механизма рекомбинации и от концентрации носителей (р). Экспериментальные результаты определения (В) приведены в таблице 2.

Безизлучательное время жизни неосновных носителей определяется в основном дефектами кристаллической структуры. Если предположить, что основным видом дефектов являются дислокации с плотностью N_d (см^-2), то

_б = 1/(² D N_d ) (5)

где D - коэффициент диффузии неосновных носителей, (см² / c)

Внутренний квантовый выход сильно зависит от характера межзонных переходов в п/п, но анализ показывает, что при легировании непрямозонных п/п азотом

^N_вн = 3 _вн (6)

Коэффициент инжекции () при L _n= L _p для гомопереходов равен

 = N_D_n / (N_D _n + N_A _p ) (7)

где N_i - концентрация электронов и дырок (см^-3),

_i - подвижность неосновных носителей (см² /В c)

Свет, возникающий на границе р-п перехода равномерно распределяется по всему обьему полупроводника. Однако принимая во внимание, что потери излучения имеют место как в самом материале, связанные с поглощением света, так и на поверхности, связанные с отражением света от поверхности, коэффициент вывода света (к) можно выразить в виде

k = k₁ k₂ (8)

k₂ = (1-R) -параметр отражения

k₁ = exp(- d_Б ) - параметр поглощения

где R - коэффициент отражения;

d_Б – толщина базы

 - коэффициент поглощения.

Коэффициент отражения R для света, выходящего перпендикулярно верхней поверхности кристалла равен

R = ( n₁ - n₃) ² / (n₁ + n₃) ² (9)

R = ( n₁n₃ – n₂²) ² / (n₁n₃ + n₂²) ² (10)

где n_1, n₂ и n₃ - коэффициенты преломления материала, просветляющего покрытия и воздуха ( n₃ = 1) , соответственно.

Таблица 1

Значения подвижности носителей _i (см²/ В с ) и E_g (эВ)

A111BV	Eg	p					 n
		для NА					для ND
Ni (см-3)		1.1017	2.1017	5.1017	8.1017­	1.1018	1.1017
Ga0,9Al0,1As	1,55	300	200	150	120	100	4500
GaAs0.6P0,4	1,95	250	180	110	95	80	3500
GaAs0,4P0,6	2,10	150	120	80	70	60	1000
GaP	2,24	100	70	60	50	40	200

Таблица 2

Коэффициент захвата В(см³/с) для соединений A¹¹¹ B^V

NA	Прямозонные п/п	Непрямозонные п/п
	Ga0,9Al0,1As - GaAs0,6 P 0,4	GaAs0.4P0.6 :N - GaP:N
1.1017	2,0.10-10	2.10-13
2.1017	2,6.10-10	3.10-13
5.1017	3,3.10-10	4.10-13
8.1017	3,7.10-10	4,5.10-13
1.1018	4,0.10-10	5.10-13

Таблица 3

Коэффициент диффузии электронов D(см²/c) для соединений A¹¹¹B^V

Nd(см-2)	Ga0,9Al0,1As	GaAs0,6 P 0,4	GaAs0,4 P 0,6:N	GaP :N
5,103	120	90	25	6
1.104	100	70	20	5
5.104	80	50	15	4
1.105	60	30	10	3
5.105	40	20	8	2

Таблица 4

Коэффициенты поглощения  (см ^-1) и преломления n

	Полупроводники				покрытие
	GaAlAs	GaAsP	GaAsP:N	GaP:N	Si3N4	Пласт	As-стекло
	9	7	6	5	-	-	-
n	3,6	3,5	3,4	3,3	1,9	1,5	2,5