8.4 Випромінювальна рекомбінація в напівпровідниках, світлодіодах

Переходи електронів із зони провідності у валентну зону супроводжуються виділенням енергії hwE_g. У багатьох напівпровідників такий процес рекомбінації електронно-діркових пар носить переважно без випромінювальний характер: енергія, що виділяється, віддається граткам і кінець кінцем перетворюється на тепло. Проте у таких напівпровідників, як і ін., рекомбінація може бути значною мірою випромінювальною: енергія при рекомбінації виділяється у формі квантів світла – фотонів.

В умовах теплової рівноваги число актів випромінювальної рекомбінації рівна числу актів поглинання квантів світла рівноважного теплового випромінювання. Тому напівпровідник випромінює рівно стільки світла (і на тих же частотах), скільки поглинає з навколишнього простору.

Для того, щоб випромінювання переважало над поглинанням, необхідно створити надмірну (надрівноважну) концентрацію електронно-діркових пар. Найпростіше це можна зробити, використовуючи інжекцію носіїв через р-n-перехід при пропусканні через нього прямого струму. Як видно з рис. 6.14, концентрація неосновних носіїв біля межі р-n-переходу при цьому різко підвищується і стає значно вища рівноважної. До інжектованих неосновних носіїв підтягуються основні носії, і їх концентрація біля межі переходу стає також вища рівноважної.

Дифундуючись в глибину напівпровідника, нерівноважні носії рекомбінують, проникаючи в середньому на відстань дифузійної довжини від шару об'ємного заряду р-n-переходу. Якщо при цьому істотна частина актів рекомбінації відбувається з випромінюванням світла, то, створивши умови для виходу цього світла назовні, напівпровідниковий діод можна використовувати як джерело випромінювання. Такий діод називають світлодіодом.

Ефективність світлодіода визначається перш за все його внутрішнім квантовим виходом _вн, що є відношенням числа квантів, що випускаються при рекомбінації, до числа інжектованих неосновних носіїв. Якби рекомбінація була тільки випромінювальною, то _вн = 1. Проте разом з випромінювальною рекомбінацією завжди протікає процес безвипромінювальної рекомбінації. Тому в загальному випадку _вн і визначається наступним співвідношенням:

=, (8.26)

де Р_вип і Р_бвип – ймовірності випромінювальної і безвипромінювальної рекомбінації, віднесені до одиниці часу.

Рисунок 8.10 – Схема випромінювальних переходів

З (8.26) випливає, що для отримання максимальної внутрішньої ефективності світлодіода слід по можливості збільшити відношення вірогідності випромінювальної рекомбінації до безвипромінювальної. Безвипромінювальна рекомбінація, як правило, визначається в основному глибокими рекомбінаційними центрами, випромінювальна ж йде звичайно в результаті міжзонних переходів (рис.8.10, а), переходів із зони провідності на дрібні акцепторні рівні (рис.8.10, б) або з дрібних донорних рівнів у валентну зону (рис.8.10, в). Вірогідність безвипромінювальної рекомбінації можна зменшити, очистивши напівпровідник від глибоких рекомбінаційних центрів. Зробити це дуже важко, оскільки перетинання захоплення носіїв деякими домішковими центрами, наприклад, міддю, велике і потрібен дуже високий ступінь очищення від таких домішок. Тому якість світлодіодів значною мірою залежить від ступеня очищення початкових матеріалів і досконалості технології виготовлення діодів.

Іншим способом підвищення внутрішнього квантового виходу діода є збільшення вірогідності випромінювальної рекомбінації шляхом вибору напівпровідникового матеріалу і ступеня його легування. В таких напівпровідниках, як і , у яких дно зони провідності і стеля валентної зони розташовані при різних значеннях хвильового вектора, вірогідність міжзонної випромінювальної рекомбінації багато менша, ніж у напівпровідників, у яких збігаються екстремуми зон ( і ін.). Тому для виготовлення світлодіодів необхідно брати напівпровідники, у яких збігаються екстремуми зон.

Вірогідність міжзонної рекомбінації і випромінювальних переходів зона – домішка росте із збільшенням (до певної межі) ступеня легування напівпровідника, що також використовується при виготовленні світлодіодів.

Спектральний склад рекомбінаційного випромінювання визначається розподіленням за енергіями рекомбінуючих електронів і дірок. Звідки випливає, що смуга випромінювання повинна мати ширину поблизу частоти

У наш час виготовляються світлодіоди з найрізноманітнішими параметрами залежно від їх призначення.