Внутренняя и внешняя квантовая эффективность

Внутренняя квантовая эффективность p-n-перехода определяется отношением числа генерируемых в p-n-переходе в Nфот к общему числу носителей Nобщ, пересекающих переход:

Nвнутр=Nфот/Nобщ.

Внутренняя квантовая эффективность зависит от относительной вероятности излучательных и безызлучательных переходов. Эта вероятность в свою очередь зависит от структуры перехода, примесных уровней в полупроводнике и от типа полупроводника. В общем смысле внутренняя квантовая эффективность может быть определена как отношение скорости генерации фотонов в полупроводнике к скорости, с которой носители инжектируются в переход.

Такие полупроводники, как кремний, германий и фосфид галлия – это непрямозонные полупроводники. В общих чертах это означает, что электрон, находящийся на нижних уровнях зоны проводимости, имеет импульс, отличающийся от импульса электрона, находящегося на верхних уровнях валентной зоны. При переходах из зоны проводимости в валентную зону должен выполняться закон сохранения импульса. Это может происходить, если при рекомбинации рождается фонон (квант упругих колебаний кристаллической решетки). Вероятность одновременного наступления двух событий – рождения фонона и излучение фотона – очень мала. В результате непрямозонных полупроводниках преобладают безызлучательные переходы, и внутренняя квантовая эффективность оказывается низкой.

В прямозонных полупроводниках электроны, находящиеся на нижних уровнях зоны проводимости, имеют почти такой же импульс, как и электроны высших энергетических уровней валентной зоны. Следовательно, имеется высокая вероятность излучательных переходов из зоны проводимости в валентную зону, и внутренняя квантовая эффективность будет высокой. Наиболее хорошо отработанным технологически и проверенным на практике прямозонным материалом является арсенид галлия GaAs, который широко используется в разнообразных полупроводниковых приборах.

Внешняя квантовая эффективность есть отношение числа фотонов Nвыш, вышедших из полупроводника, к общему числу носителей Nобщ, пересекающих переход:

nвнеш=Nвыш/Nобщ.

Три основных эффекта приводят к тому, что nвнеш всегда меньше nвнутр(см.иллюстрацию на рис.6):

Во-первых, излучение выходит из полупроводника через границу раздела полупроводник-воздух. Только та часть излучения, которая подходит к поверхности полупроводника под углом меньше угла полного внутреннего отражения Qс, может выйти из полупроводника.

Во-вторых, часть и этого излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух. Этот эффект известен как френелевское отражение. Коэффициент пропускания, при «просветлении», когда на поверхность полупроводника наносят слой прозрачного материала толщиной в четверть длины волны. Величина коэффициента преломления этого материаладолжна быть больше коэффициента преломления полупроводника, но меньше коэффициента преломления окружающей среды.

В-третьих, происходит самопоглащение в толще полупроводника между точкой генерации и излучающей поверхностью. Для уменьшения этого эффекта необходимо сократить расстояние между областью генерации и излучающей поверхностью. Однако при этом появляется опасность, что близкое расположение поверхности с высокой концентрацией ловушечных уровней может вызвать уменьшение внутренней квантовой эффективности.

Рис.5.основные эффекты, приводящие к уменьшению внешней квантовой эффективности:

1)полное отражение при падении под углом, большим критического

2)френелевское отражение,

3)самопоглащение в толще полупроводника.