Физической основой полупроводниковых излучателей является инжекционная электролюминесценция. Под люминесценцией понимают в широком смысле, электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. В данном определении подчеркивается отличие люминесценции от свечения нагретых тел. Люминесценции свойственно то, что она продолжается еще некоторое время после отключения источника возбуждения. Если это время больше 10-3 с, то люминесценция называется фосфоренцией, а если меньше чем 10-3 с, то это флюоресценция.
Люминесценция в полупроводниках включает в себя два основных этапа. На первом этапе под воздействием возбуждающей энергии происходит генерация носителей заряда. Этот этап определяет тип люминесценции (фото- электро-, и т.д.). На втором этапе генерированные носители заряда рекомбинируют, выделяя энергию в виде оптического излучения.
Каждая рекомбинация носителя заряда при прямых оптических переходах зона-зона сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением: l=hc/Eg»1,24/Eg, (8.1)
где l - в микрометрах, а Eg - в электрон-вольтах.
В полупроводниках процесс инжекционной электролюминесценции происходит следующим образом. При наличии контакта однородных полупроводников с различными типами электропроводности уровень Ферми в равновесном состоянии должен быть единым. Это приводит к искривлению зон и образованию потенциального барьера как это показано на рис.8.1.
| Рис.8.1.Схема p-n-перехода в невырож-денном полупровод-нике в отсутствии инжекции |
Дырки из р -слоя, где их много, диффундируют справа налево в область перехода, но не могут преодолеть потенциальный барьер, и, проникнув в переход, снова возвращаются в р -слой, а дырки n -слоя, легко переходят в р -слой, образуя дрейфовый ток. Этот поток уравновешивается встречным диффузионным потоком дырок р -слоя, имеющих большую энергию и способных преодолеть потенциальный барьер. Аналогичная картина наблюдается и в движении электронов.
| Рис. 8.2. Схема p-n-перехода в невырожденном полупроводнике при наличии инжекции |
При приложении прямого напряжения в p-n -переход потенциальный барьер понижается, и появляются дополнительные диффузионные токи как дырок, так и электронов, т.е. увеличивается инжекция неосновных носителей: дырок в n -область, электронов в р -область (рис.8.2). Это увеличивает рекомбинацию носителей с излучением фотона.
Полезной компонентой тока, обеспечивающей излучательную рекомбинацию в р -базе, является электронный ток In, инжектируемый эмиттером. Эффективность инжекции определяется отношением In к полному току I и характеризуется коэффициентом инжекции g:
g=In/I=In/(In+Ip+Iрек+Iтун+Iпов), (8.2)
где Ip - дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией дырок в n -эмиттер; Iрек - ток безызлучательной рекомбинации в области р-n -перехода; Iтун - туннельный ток, обусловленный «просачиванием» носителей сквозь потенциальный барьер; Iпов - ток утечки по поверхности р-n -перехода.
