Файл: Методические указания к лабораторным работам для студентов всех специальностей и направлений подготовки санктпетербург 2021.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.11.2023
Просмотров: 180
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
При очень большой концентрации примесей энергия ионизации примесей стремится к нулю, т.е. примесная зона сливается с краем разрешенной зоны. Энергия ионизации равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома (на ионизацию атома), находящегося в основном (не возбуждённом) энергетическом состоянии.В этом случае полупроводник становится вырожденным. Вырожденный полупроводник – полупроводник с большой концентрацией подвижных носителей заряда (электронов проводимости и дырок). Уровень Ферми EF такого полупроводника лежит в зоне проводимости или в валентной зоне. Уровень Ферми – энергия, ниже которой, в основном состоянии при температуре абсолютного нуля (T = 0 К), все состояния системы частиц или квазичастиц, подчиняющихся статистике Ферми - Дирака заполнены, а выше – пустые.ГЕТЕРОСТРУКТУРЫВ 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 работвыхода 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. Под работой выхода понимают энергию, необходимую для перевода электрона с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны. 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 В гетеропереходах I типа (Рис. 4а) 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 1 мкм) . В гетеропереходах второго типа разрывы валентной зоны и
Рис. 4 Схематическое изображение разных типов гетеропереходов: а) гетеропереход I типа, б) ступенчатый гетеропереход II типа, в) разъединенный гетеропереход II типа, где ∆EC, ∆EV – разрывы зон проводимости и валентных зон; EgA ширина запрещенной зоны полупроводника А, EgB - полупроводника В.
зоны проводимости на гетерогранице могут быть столь большими, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валентной зоны другого материала (Рис. 4в), 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. Из-за пространственного разделения носителей может происходить туннельная излучательная рекомбинация через гетерограницу II типа с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала. В гетеропереходах второго рода на границе раздела между двумя различными по химическому составу полупроводниками, в образованных потенциальных ямах, происходит накопление со стороны одного полупроводника – электронов, а со стороны другого полупроводника – дырок. Накопленные противоположные заряды различных зон оказывают влияние друг на друга. Образованные на границе двух различных по химическому составу полупроводников потенциальные ямы называются самосогласованными потенциальными ямами. В этом случае, при расчёте зонной диаграммы одного полупроводника, необходимо учитывать энергетические состояния в прилегающем полупроводнике.
Квантовая яма может быть рассмотрена как потенциальная яма для квантовой частицы, в которой движение частицы ограничено двумя измерениями. Характерной особенностью движения квантовой частицы в квантовой яме является то, что набор возможных (разрешенных) значений её энергии дискретен. На рис. 5 схематически изображена двумерная потенциальная яма, где: по оси ординат отложена энергия квантовой частицы, по оси абсцисс – ее координата; ширина квантовой ямы – a; E1...En – набор дискретных значений энергии квантовой частицы. Рис. 5. Двумерная потенциальная яма.
Рис.6. 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. Процесс возвращения электрона из зоны проводимости в валентную зону называется рекомбинацией.Применение гетеропереходов для формирования широкозонного окна в фотоприемниках, электронного и оптического ограничения в лазерах привело к принципиальному улучшению параметров этих приборов. В настоящее время практически все оптоэлектронные приборы основаны на гетероструктурах.Гетероструктура – полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами. Рис.7. Энергетическая диаграмма p-n гетероструктуры при прямом смещении, где Fр, Fn – энергии Ферми в р- и n-полупроводниках, Еg 2, Еg 3 – запрещённые зоны широкозонных полупроводников, Еg 1 – ширина запрещённой зоны узкозонного полупроводника, ∆EC, ∆EV – разрыв зоны проводимости и валентной зоны. Рис.8. Светодиодная структура.
Рис.9. Энергетическая диаграмма сверхрешётки квантово-каскадного лазера.
Создание на базе гетеропереходов сверхрешёток, квантовых ям и квантовых точек открыло новые возможности для дальнейшего снижения пороговых токов лазеров и увеличения их мощности, появления лазеров с вертикальным резонатором, а так же совершенно новых типов полупроводниковых приборов.Лабораторная работасветодиодыЦель работы: знакомство с понятием «гетеропереход» и физическими принципами работы светодиодов.1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯСветоизлучающий диод (LED – Light-emitting diode) – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию, в энергию оптического излучения. Излучение вызвано рекомбинацией (возвращением электронов из зоны проводимости в валентную зону) носителей заряда при прохождении тока в прямом направлении через выпрямляющий электрический переход. Область структуры светодиода в которой происходит рекомбинация электронов и дырок называется активной.Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра электромагнитных волн. Длина волны излучения светодиода зависит от химического состава использованного в активной области полупроводника.Красные и желтые светодиоды изготавливаются из твердых растворов соединений элементов AlGaInP или AlGaAs, а зеленые и синие из более широкозонного материала InGaN.Для того чтобы кванты энергии (фотоны), освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть достаточно большой (ΔЕ > 1,7 эВ), при меньшей ширине запрещенной зоны исходного полупроводника кванты энергии, освобождающиеся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения. Активная область ограничена слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, которые обеспечивают локализацию носителей в узкозонной области, что приводит к увеличению вероятности рекомбинации носителей заряда. Отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называется внутренним квантовым выходом.
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 В гетеропереходах I типа (Рис. 4а) 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 1 мкм) . В гетеропереходах второго типа разрывы валентной зоны и
Рис. 4 Схематическое изображение разных типов гетеропереходов: а) гетеропереход I типа, б) ступенчатый гетеропереход II типа, в) разъединенный гетеропереход II типа, где ∆EC, ∆EV – разрывы зон проводимости и валентных зон; EgA ширина запрещенной зоны полупроводника А, EgB - полупроводника В.
зоны проводимости на гетерогранице могут быть столь большими, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валентной зоны другого материала (Рис. 4в), 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. Из-за пространственного разделения носителей может происходить туннельная излучательная рекомбинация через гетерограницу II типа с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала. В гетеропереходах второго рода на границе раздела между двумя различными по химическому составу полупроводниками, в образованных потенциальных ямах, происходит накопление со стороны одного полупроводника – электронов, а со стороны другого полупроводника – дырок. Накопленные противоположные заряды различных зон оказывают влияние друг на друга. Образованные на границе двух различных по химическому составу полупроводников потенциальные ямы называются самосогласованными потенциальными ямами. В этом случае, при расчёте зонной диаграммы одного полупроводника, необходимо учитывать энергетические состояния в прилегающем полупроводнике.
Квантовая яма может быть рассмотрена как потенциальная яма для квантовой частицы, в которой движение частицы ограничено двумя измерениями. Характерной особенностью движения квантовой частицы в квантовой яме является то, что набор возможных (разрешенных) значений её энергии дискретен. На рис. 5 схематически изображена двумерная потенциальная яма, где: по оси ординат отложена энергия квантовой частицы, по оси абсцисс – ее координата; ширина квантовой ямы – a; E1...En – набор дискретных значений энергии квантовой частицы. Рис. 5. Двумерная потенциальная яма.
Рис.6. 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. Процесс возвращения электрона из зоны проводимости в валентную зону называется рекомбинацией.Применение гетеропереходов для формирования широкозонного окна в фотоприемниках, электронного и оптического ограничения в лазерах привело к принципиальному улучшению параметров этих приборов. В настоящее время практически все оптоэлектронные приборы основаны на гетероструктурах.Гетероструктура – полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами. Рис.7. Энергетическая диаграмма p-n гетероструктуры при прямом смещении, где Fр, Fn – энергии Ферми в р- и n-полупроводниках, Еg 2, Еg 3 – запрещённые зоны широкозонных полупроводников, Еg 1 – ширина запрещённой зоны узкозонного полупроводника, ∆EC, ∆EV – разрыв зоны проводимости и валентной зоны. Рис.8. Светодиодная структура.
Рис.9. Энергетическая диаграмма сверхрешётки квантово-каскадного лазера.
Создание на базе гетеропереходов сверхрешёток, квантовых ям и квантовых точек открыло новые возможности для дальнейшего снижения пороговых токов лазеров и увеличения их мощности, появления лазеров с вертикальным резонатором, а так же совершенно новых типов полупроводниковых приборов.Лабораторная работасветодиодыЦель работы: знакомство с понятием «гетеропереход» и физическими принципами работы светодиодов.1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯСветоизлучающий диод (LED – Light-emitting diode) – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию, в энергию оптического излучения. Излучение вызвано рекомбинацией (возвращением электронов из зоны проводимости в валентную зону) носителей заряда при прохождении тока в прямом направлении через выпрямляющий электрический переход. Область структуры светодиода в которой происходит рекомбинация электронов и дырок называется активной.Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра электромагнитных волн. Длина волны излучения светодиода зависит от химического состава использованного в активной области полупроводника.Красные и желтые светодиоды изготавливаются из твердых растворов соединений элементов AlGaInP или AlGaAs, а зеленые и синие из более широкозонного материала InGaN.Для того чтобы кванты энергии (фотоны), освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть достаточно большой (ΔЕ > 1,7 эВ), при меньшей ширине запрещенной зоны исходного полупроводника кванты энергии, освобождающиеся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения. Активная область ограничена слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, которые обеспечивают локализацию носителей в узкозонной области, что приводит к увеличению вероятности рекомбинации носителей заряда. Отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называется внутренним квантовым выходом.
Если бы рекомбинация неравновесных электронов и дырок, в активной области происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации не заканчивается выделением энергии в виде фотонов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями называют безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными переходами зависит от ряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, наличия примесей, которые могут увеличить или уменьшить вероятность излучательных переходов. 
Рис. 10. Зависимость длины волны желтого светодиода от температуры активной области
У 
величение длины волны с повышением температуры активной области светодиода вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника, при этом, из-за увеличения влияния колебаний кристаллической решетки уменьшается внутренний квантовый выход.
Яркость светодиода с увеличением температуры падает. Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. У материалов с меньшей шириной запрещенной зоны температурная зависимость длины волны и яркости сильнее. Она больше у красных и желтых, и меньше у зеленых, синих и белых. Поэтому для надежной и стабильной работы светодиодов важен хороший теплоотвод.
Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход значительно меньше. Образовавшиеся фотоны могут поглотиться полупроводником до выхода в окружающее пространство.
Рис. 11. Зависимость яркости желтого светодиода от температуры активной области.
Существенными могут оказаться потери при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом, превышающим критический угол полного внутреннего отражения:
, (1)
Рис.12. Вольт-амперная характеристика светодиода
где 