Характеристики светодиодов

Основной физической величиной, характеризующей качество светодиодов, является внешний квантовый выход -отношение числа выходящих из светодиода излучённых фотонов , к полному числу носителей заряда, протекающих через p-n-переход : (1.2).

Внутренняя квантовая эффективность генерации в базе -отношение числа генерированных в базе фотонов к числу инжектированных в базу носителей ( - коэффициент инжекции): (1.3).

Число фотонов, излучённых светодиодом определяется коэффициен­том вывода света из базы Кв(оптической эффективностью): .

Тогда внешний квантовый выход (1.4).

Оказывается, что 0< <1, поскольку каждый из сомножителей в (1.4) больше нуля, но не может быть больше единицы.

w Очевидно, что чем больше квантовый выход, тем выше качество светодиода. В связи с этим, проведём анализ величин, входящих в (1.4). Обычно, излучение возникает при рекомбинации электронов, инжектированных из n-области в р-базу (см. рис. 1.1.). Тогда в (1.4) коэффициент инжекции электронов определяется, как отношение электронного тока инжекции к полному току через диод, который при условии имеет вид: .

Видно, что для повышения коэффициента инжекции электронов необходимо увеличение доли электронного инжекционного тока, т.е. увеличение концентрации основных носителей в эмиттере. Поэтому в качестве светодиода используется -переход, в котором сильно легирована -область.

w Увеличение коэффициента вывода связано с уменьшением трёх видов потерь света: при самопоглощенииуже генерированного в базе кванта полупроводниковым материалом светодиода; при поглощении боковой поверхностью базы и задней стенкой светодиода; при полном внутреннем отражении света от границы раздела базы с защитной оболочкой светодиода.

w Основной фактор, который приводит к уменьшению внутренней квантовой эффективности - это безызлучательная рекомбинацияна дефектах структуры.

Число фотонов, генерированных в р-области , где эффективное время жизни инжектированных в базу электронов (1.5) определяется скоростью излучательной и безызлучательной рекомбинаций в базе. Согласно определению с использованием приведенных выше формул получим при : , откуда видно, что для увеличения внутренней квантовой эффективности необходимо повышение доли излучательных переходов, что достигается внесением примесных излучательных центров в базу и созданием в ней достаточной концентрации основных носителей , необходимых для рекомбинации с электронами, т.е. сильным легированием р-области.

Другой важной характеристикой, которая должна учитываться при конструировании светодиодов для оптических систем связи, является диапазон рабочих частот.

Предельная частота светодиода (1.6) определяется временем жизни инжектированных в р-базу электронов , которое как следует из уравнения (1.5), обратно пропорционально скорости излучательной рекомбинации.

При подаче прямого напряжения на p-n-переход скорость излучательной рекомбинации определяется выражением: , (1.7) где -константа излучательной рекомбинации, - скорость полной термической генерации носителей заряда, а -равновесные концентрации носителей в области p-n-перехода и концентрации носителей заряда с учётом инжекции.

Если приложенное напряжение невелико, то в материале базы р-типа ,и время жизни излучательной рекомбинации в единице объёма равно: .

Обычно излучательная рекомбинация идёт интенсивнее безызлучательной , и в уравнении (1.6) становится близким к : . (1.8)

Таким образом, для достижения высоких значений предельной частоты светодиода необходимо увеличивать концентрацию дырок в р-области.

Дата добавления: 2015-08-05