Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный университет
Кафедра общей и технической физики
(лаборатория физики твердого тела)
Исследование
СВЕТОДИОДов
Методические указания к лабораторной работе № 10
Для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011
УДК 531/534 (075.83)
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА: Лабораторный практикум курса общей физики. Парфенова И.И., Томаев В.В., Стоянова Т.В. / Санкт-Петербургский горный технический университет. С-Пб, 2011, 14 с.
Лабораторный практикум курса общей физики по физике твердого тела предназначен для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского горного университета.
С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.
Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.
Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 5 назв.
Научный редактор доц. И.И. Парфенова
| © Санкт-Петербургский горный Университет, 2011 г. |
Цель работы: Изучение работы светодиодов. Определение постоянной Планка.
Теоретические основы лабораторной работы
Гетероструктуры
В основе светоизлучающего диода лежит многослойная гетероструктура. Гетероструктура представляет собой последовательность полупроводниковых слоев отличающихся химическим составом и шириной запрещенной зоны.
Гетеропереходом называют переходный слой с существующим в нём диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.
Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решёток контактирующих полупроводников.
При образовании гетероперехода, из-за различия работ выхода электронов из разных полупроводников, происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми. В результате установления термодинамического равновесия, остальные энергетические уровни изгибаются – возникают диффузионное электрическое поле и контактная разность потенциалов. Энергетические зоны различных полупроводников отличаются по ширине, поэтому на границе раздела двух полупроводников получается разрыв дна зоны проводимости и валентной зоны, что приводит к наличию разной высоты потенциального барьера для электронов и дырок. В связи с этим, прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака.
Гетеропереходы делятся на три основные типа:
а) гетеропереход I типа,
б) ступенчатый гетеропереход II типа,
в) разъединенный гетеропереход II типа
Рис.1 Схематическое изображение разных типов гетеропереходов: а) гетеропереход I типа, б) ступенчатый гетеропереход II типа, в) разъединенный гетеропереход II типа, где DEC, DEV – разрывы зон проводимости и валентных зон; EgA ширина запрещенной зоны полупроводника А, EgB - полупроводника В.
В гетеропереходах I‑типа (Рис.1а) валентная зона и зона проводимости узкозонного полупроводника "вставлены" в запрещенную зону широкозонного материала. Классическими представителями этого типа являются системы GaAs-AlGaAs и InP-InGaAs, которые широко применяются при изготовлении лазеров ближнего инфракрасного диапазона (от 0,7 мкм до 1мкм).
В гетеропереходах второго типа разрывы валентной зоны и зоны проводимости на гетерогранице могут быть столь большими, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валентной зоны другого материала (Рис.1в), как это имеет место в системе GaSb-InAs. Такой гетеропереход называют разъединённым. Фундаментальным свойством гетеропереходов II типа является пространственное разделение электронов и дырок и их накопление в самосогласованных квантовых ямах на границе перехода.
Рис.2. Энергетическая диаграмма ступенчатого n-p гетероперехода II типа при прямом смещении, где EF – энергия Ферми, hν – энергия излученного фотона.
Условия рекомбинации на гетерограницах II типа сильно зависят от приложенного внешнего электрического поля.
В настоящее время практически все оптоэлектронные приборы основаны на гетероструктурах.
