8.2Внутренний и внешний квантовые выходы

Количественно эффективность рекомбинации при люминесценции характеризуют внутренним квантовым выходом _э, который определяется отношением числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов (излучательной и безызлучательной) рекомбинации. А эффективность электролюминесценции определяется произведением _э.

Рис. 8.3. Зависимость внутреннего квантового выхода э от плотности прямого тока J.

В еличина внутреннего квантового выхода _э зависит от плотности прямого тока J. Вид этой зависимости показан на рис. 8.3.

Влияние температуры на параметры  и _э проявляется следующим образом: коэффициент инжекции увеличивается с ростом температуры, в то же время внутренний квантовый выход уменьшается сильнее с ростом температуры и поэтому эффективность инжекции снижается.

Качество светодиода характеризуется внешним квантовым выходом:

_э_опт, (8.3)

где _опт - оптическая эффективность или коэффициент вывода излучения. Параметр  является интегральным показателем излучательной способности светоизлучающего диода. Произведение _э определяет эффективность инжекционной электролюминесценции, однако и при большом её значении внешний квантовый выход может оказаться малым. Это случается, когда коэффициент вывода света во внешнюю среду является низким, так как при выводе излучения из активной области диода всегда имеются потери энергии.

Эффективность вывода оптического излучения _опт определяется отношением: _опт=Р_изл/Р_г , (8.4)

где Р_изл -мощность выходящего излучения, Р_г -мощность, генерируемая внутри кристалла.

8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде

Потери генерированного в p-n-переходе излучения обусловлены следующими факторами (рис.8.4).

1. Потери на самопоглощение (рис.8.4). При поглощении полупроводником фотонов их энергия может быть передана:

- электронам валентной зоны с переводом их в зону проводимости;

- свободным электронам зоны проводимости с переводом их на более высокие уровни;

- дыркам в валентной зоне, также переводом их на высокие уровни;

- фононам;

- примесям.

2. Потери на полное внутреннее отражение. При падении излучения луча (2) на границу раздела более плотной среды с оптически менее плотной под углом _пр , оно претерпевает полное внутреннее отражение. При _пр излучение частично отражается от непросветленной поверхности. Эти потери называются френелевскими.

3. Потери на обратное и боковое излучение. Излучение в активной области светодиода спонтанное и характеризуется тем, что лучи распространяются во все стороны. Обратное излучение (3), поглощается в подложке, а излучение через боковые поверхности кристалла (4) теряется в корпусе или в окружающем пространстве.

Рис.8.4. Потери излучения в светоизлучающем диоде.

8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода

Зависимость параметров оптического излучения от прямого тока через диод называется излучательной характеристикой. Для ИК-диодов излучательная характеристика представляет собой зависимость потока светового излучения Ф от прямого тока I_пр. Типичная зависимость Ф=f(I_пр) имеет вид, показанный на рис.8.5.

Рис.8.5. Излучательная характеристика ИК –диода.

Для светоизлучающего диода излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света I_c от прямого тока I_пр. В качестве параметра электрического режима выбирается прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Это связано с тем, что р-n -переход излучающего диода включен в прямом направлении и электрическое сопротивление диода мало. Поэтому можно считать, что прямой ток через излучающий диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется.

Как видно из графика, излучательная характеристика ИК-диода нелинейная и имеет максимум. При малых токах I_пр велика доля безызлучательной рекомбинационной составляющей тока I_рек и коэффициент инжекции в соответствии с выражением (8.2) мал. С ростом I_пр поток излучения увеличивается - становится преобладающим инжекционная составляющая I_n. Дальнейший рост тока, приводящий к насыщению центров люминесценции, снижает излучательную способность диода.

Мощность оптического излучения выражается в виде:

P_изл=_опт h_сп (I/e), (8.5)

где _опт - эффективность вывода излучения; I/e -число носителей, инжектированных в активный слой в единицу времени, I-ток инжекции, e -заряд электрона; _сп=1/(1+_сп/^*) - кпд светового излучения, _сп и ^* - времени излучательной и безызлучательной рекомбинации.

Зависимость выходных параметров светодиода от длины волны излучения называется спектральной характеристикой. Длина волны излучения световода определяется, согласно формуле (8.1) шириной запрещенной зоны полупроводника. Так как переход электронов при рекомбинации носителей зарядов происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается сильно уширенной. Однако, несмотря на это, излучение большинства диодов близко к квазимонохроматическому (/<<1) и имеет относительно высокую направленность в пространстве.

Вид спектральных характеристик некоторых светоизлучающих диодов представлены на рисунке 8.6.

Рис.8.6. V() - спектральная характеристика человеческого глаза,

ФДК -спектральная характеристика кремниевого фотодиода.

Спектр излучения принято характеризовать ее шириной на полувысоте интенсивности, которая ровна: . (8.6)