Лабораторна робота № 7
Мета роботи: вивчення випромінювальної рекомбінації в p-n-переходах; дослідження спектра випромінювання світлодіода з арсеніду галію; визначення зовнішнього квантового виходу випромінювання; отримання вольт-амперної характеристики світлодіода і визначення постійної Планка.
Прилади й приналежності. монохроматор МУМ, вольтметр В7-22А, світлодіод (червоний) на панелі, джерело живлення (крона), регулятор напруги, мікроамперметр індикаторного типу.
теоретичне введення
§1. Механізм випромінювальної рекомбінації в p-n-переходах
Якщо в напівпровіднику порушуються нерівноважні електронно-діркові пари, то частина їх енергії при рекомбінації може випромінюватися у вигляді квантів світла. Такий процес називається випромінювальною рекомбінацією. Один з найбільш зручних способів створення електронно-доручених пар в напівпровіднику - це пропускання прямого струму через p-n-перехід. При проходженні прямого струму через p-n-перехід. електрони (рис. 1) з n-області переходять (инжектируются) в p-область. Так як в p-області є велика концентрація дірок, то перейшли електрони рекомбінують з дірками. Процес рекомбінації електронів і дірок може супроводжуватися випромінюванням квантів світла
Мал. 2. Механізми випромінювальної
Випромінювальна рекомбінація - єдиний фізичний механізм генерації світла в світлодіодах. В узагальненому вигляді механізм »випромінювальної рекомбінації можна класифікувати наступним чином (див. Рис. 2).
а). Міжзонного рекомбінація, при якій електрон із зони провідності переходить в валентну зону на місце дірки безпосередньо, випромінюючи енергію, трохи більшу ширини забороненої зони.
б), в). Рекомбінація вільних носіїв на домішкових центрах; електрон - акцептор або дірка - донор, при якій носій захоплюється на свій домішковий центр, а потім рекомбинирует з вільним носієм протилежного знака.
г). Межпрімесная або донорно-акцепторні рекомбінація, при якій носії захоплюються на свої домішкові центри, а потім електрон переходить з донора на акцептор в процесі акту випромінювальної рекомбінації; для такого переходу необхідно часткове перекриття хвильових функцій електрона і дірки.
Розглянемо залежність енергії вільного електрона, що знаходиться у вакуумі, від його імпульсу
де
Залежність, представлена на рис. 3, є енергетичною діаграмою вільних електронів у вакуумі, зображеної в просторі імпульсів (або в просторі хвильових векторів
напівпровідниковому кристалі вільний електрон можна вважати вільним тільки умовно, тому що на електрон в кристалі діє періодичне потенційне поле кристалічної решітки. Щоб описати складні закони руху електрона в кристалі за допомогою співвідношень, які збігаються за формою з законами класичної механіки, можна врахувати вплив внутрішніх сил на електрон, змінивши відповідним чином значення його маси, тобто ввівши поняття деякої ефективної маси електрона (або дірки). Таким чином, ефективна маса - це коефіцієнт пропорційності в законі, що зв'язує зовнішню силу, що діє на електрон в кристалі, з його прискоренням. Відповідно до цього імпульс електрона в кристалічній решітці
Зона провідності напівпровідника може бути утворена з декількох перекриваються між собою дозволених енергетичних зон. Відповідно структура енергетичних зон або енергетична діаграма напівпровідника в просторі квазіімпульсів (або в k - просторі) може мати кілька мінімумів (рис. 4). Наприклад, на енергетичній діаграмі арсеніду галію зона провідності крім центральної долини з мінімумом енергії при хвильовому векторі k = 0 має ще бічні долини з мінімумом енергії, який відрізняється від попереднього. З цієї енергетичної діаграми слід, що в зоні провідності арсеніду галію можуть існувати електрони, що володіють однією і тією ж енергією, але мають різні квазіімпульсів, а отже, і різні ефективні маси:
якщо Р1<Р2. то
де
Таким чином, в напівпровіднику (арсеніду галію) можуть існувати вільні електрони з різними подвижностями: "легкі" електрони з малої елективної масою і великою рухливістю в центральній долині, і "важкі" електрони з великою ефективною масою і з малою рухливістю в бічних долинах.
Розглянемо механізми випромінювальної рекомбінації, які найбільш часто реалізуються в світлодіодах.
1). Випромінювальна рекомбінація за рахунок прямих випромінювальних переходів зона - зона (рис. 4а) здійснюється в прямозоні напівпровідниках (GaAs, InAs, InSb, їх твердих розчинів GaAlAs і ін.). У цих напівпровідниках абсолютний мінімум зони провідності знаходиться при тому ж значенні квазіімпульса
2). Якщо положення абсолютних екстремумів C- і
Оскільки випромінювання діодів рекомбінаційно (тобто люмінесцентне), а не теплове, його спектральний розподіл (рис.5) набагато вже спектрального розподілу випромінювання чорного тіла, до якого близький спектр ламп розжарювання. Світлодіоди мають важливі практичні застосування як прилади відображення візуальної інформації, тому що коефіцієнт перетворення електричної енергії в світлову в них великий. З освоєних в даний час напівпровідникових матеріалів найкращими з точки зору коефіцієнта корисної дії є з'єднання GaAsP. Ширина забороненої зони цих сполук збільшується від 1,424 еВ (чистий GaAs) до 1,977 еВ (з'єднання GaAsP).