Физические явления в p-n переходе

Министерство образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

КНИТУ-КАИ

 

 

Оптоэлектроника

 

 

Лабораторная работа №2

Исследование характеристик светодиодов

 

 

Казань 2012

 

Министерство образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

КНИТУ-КАИ

 

Оптоэлектроника

 

Лабораторная работа №2

для студентов очной и заочной формы обучения

 

Исследование характеристик светодиодов

 

 

Казань 2012

 

Теоретическая часть.

Физические явления в p-n переходе

а б в

Рисунок 1. Зонные диаграммы а)собственного полупроводника, б)полупроводника n-типа, в)полупроводника р-типа.

 

На рисунке 1 а) изображена зонная диаграмма собственного (беспримесного) полупроводника при температуре Т=0 К. Уровни валентной зоны (ВЗ) полностью заполнены электронами, уровни зоны проводимости (ЗП) пустые. В соответствие с принципом Паули в одном энергетическом состоянии может находиться только один электрон. С учётом двух возможных значений спина электрона на рис. 1 на каждом энергетическом уровне изображены 2 электрона. В запрещённой зоне (ЗЗ) отсутствуют разрешенные энергетические уровни. Уровень Ферми Еf находится посередине запрещенной зоны. При повышении температуры электроны, получая дополнительную энергию, могут переходить из валентной зоны в зону проводимости, но вероятность таких переходов мала. На рис 1 б) приведена зонная диаграмма донорного полупроводника или полупроводника n-типа. При введении донорной примеси в чистый полупроводник в запрещенной зоне появляются новые донорные уровни, заполненные электронами. При нагревании такого полупроводника эле6ктроны с донорных уровней легко переходят в зону проводимости (см. рис.1). Уровень Ферми находится ближе к зоне проводимости. Переход электронов из зоны проводимости в валентную зону запрещен принципом Паули, так как в валентной зоне практически все уровни заняты. На рис 1 в) приведена зонная диаграмма акцепторного полупроводника или полупроводника р-типа. При введении акцепторной примеси в чистый полупроводник в запрещенной зоне появляются новые акцепторные уровни. Эти уровни пустые. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны переходят на акцепторные уровни, при этом в валентной зоне возникают не заполненные электронами уровни (дырки). Уровень Ферми находится ближе к валентн6ой зоне. Переходы из зоны проводимости в валентную зону практически не наблюдаются, так как в зоне проводимости практически отсутствуют электроны.

Воспользуемся моделью резкого или ступенчатого p-n-перехода, в котором концентрация примесных атомов скачком изменяется от значения Nа в р-области до значения Nd в n-области. Резкий переход не является структурой, типичной для современных приборов. Тем не менее такая упрощенная модель позволяет проанализировать наиболее важные характеристики, например вольт-амперные.

Будем рассматривать p-n-переход в состоянии термодинамического равновесия, т.е. при отсутствии внешних воздействий, таких, как внешнее напряжение. Следствием предположения о термодинамическом равновесии является то, что квазиуровень Ферми Еfn=Еfp=Ep постоянен для всего полупроводника.

Весь полупроводник с р-n-переходом можно мысленно разбить на следующие пространственные области: металлургический контакт ( воображаемая плоскость, разделяющая р- и n-области), область перехода (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10(-6) до 10(-4) см в зависимости от технологии производства), и две области-область р-типа и n-типа. При этом области перехода пренебрегают носителями заряда (рис.3).

 

Рис. 2. Модель резкого p-n-перехода(Xp и Xn- границы области перехода)

 

Соответствующая диаграмма энергетических уровней для p-n- перехода в равновесном состоянии представлена на рис 3. На рисунке видно, что квазиуровень Ферми находится ближе к валентной зоне, а в n-области – ближе к зоне проводимости. При переходе от n-области к p-области энергетические уровни изгибаются, образуя ступеньку, которая соответствует наличию потенциального барьера величиной Uо. При этом ток основных носителей равен току неосновных носителей.

На рис.4 изображены энергетические зоны для p-n-перехода при прямом включении (U>0).

На рисунке видно, что подача внешнего напряжения приводит к смещению квазиуровней Ферми относительно равновесного положения. При этом величина потенциального барьера уменьшается и становится равной U0-U, а ширина области перехода также уменьшается. Снижение высоты потенциального барьера позволяет основным носителям пересекать область p-n- перехода, создавая заметный ток.

Таким образом, при прямом включении p-n-перехода электроны зоны проводимости переходят (инжектируются) из области n-типа в область p-типа, преодолевая высоту потенциального барьера. В дальнейшем электрон может перейти из зоны проводимости в валентную зону, так как теперь в валентной зоне есть пустые уровни (дырки), следовательно такие переходы не запрещены принципом Паули. При этом возможно выделение энергии, приблизительно равной ширине запрещенной зоны, в виде кванта света. Мы рассматриваем такой процесс как рекомбинацию электрона и дырки, сопровождающуюся световым излучением.

 

Рис.3.Диаграмма энергетических уровней p-n-перехода в равновесном состоянии.

 

Рис.4.p-n- переход при прямом смещении (U>0).

Целью работы является измерение вольт-амперных и временных характеристик светодиодов, включенных в прямом направлении. Ниже описана работа светодиода, состав, принцип работы.

1.2. Светоизлучающий диод (в зарубежной литературе используют аббревиатуру LED-light-emitting diode) представляет p-n- переход, который способен излучать видимый свет при подаче прямого напряжения 1.5-3 В. Существующие диоды излучают красный, зеленый, жёлтый, оранжевый, синий и белый свет.

Основным физическим процессом в светоизлучающем диоде является излучение фотонов при рекомбинации электронов или дырок, которые инжектируются при прямом свещении. Большинство актов рекомбинации носителей происходит на участке, длина которого равна удвоенной диффузионной длине перехода; именно здесь и происходит излучение света.

Одним из возможных механизмов служит прямой переход из зоны проводимости в валентную зону. Инжекция электронов в р-область приводит к излучению фотонов с энергией Еg, где Еg-ширина запрещенной зоны. Могут иметь место и другие переходы на уровни, расположенные в запрещенной зоне. Используются полупроводники с прямыми или близкими к прямым зонам, например арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP и GaP1-x Asx. В таких материалах существует большое число различных квантовых переходов, при которых излучается свет.

По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на две группы: с излучением в видимой части спектра (собственно светодиоды) и инфракрасной-диоды ИК-излучения являются оптронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления.