Современные светодиоды

Напряжение на диоде

В ходе рекомбинации электронно-дырочных пар происходит пре­образование энергии инжектированных электронов в энергию квантов света. Для осуществления такого преобразования энергии напряжение возбуждения или напряжение прямого смещения светодиода должно быть больше или равно ширине запрещенной зоны, т. е. напряжение на диоде определяется выражением

Теперь рассмотрим причины того, что реальное напряжение смещения светодиода несколько отличается от значений, получаемых из этой формулы.

Во-первых, на последовательном сопротивлении диода происходит дополнительное падение напряжения. Источниками дополнительного сопротивления являются сопротивление на контактах, сопротивле­ние на резких границах раздела в гетероструктурах и объемное сопротивление, характерное для материалов с низкими концентрация­ми носителей или малой подвижностью носителей. Падение напряже­ния I ■ Rs на последовательном сопротивлении приводит к необходимо­сти увеличения напряжения возбуждения.

Во-вторых, при инжекции носителей в структуры с квантовыми ямами или в двойные гетероструктуры они могут терять часть своей энергии. Это иллюстрирует пример неадиабатической инжекции носи­телей на рис. 4.12, где показана узкая квантовая яма при подаче на светодиод прямого напряжения. Видно, что при инжекции носителей в эту яму потери энергии электронами составляют АЕС — Eq, где АЕс — разрыв зоны проводимости, Eq — энергия самого низкого уровня квантования в зоне проводимости. Аналогично этому потери энер­гии дырками определяются выражением AEv — Eq, где AEV — разрыв валентной зоны, a Eq—энергия самого низкого уровня квантования для дырок в валентной зоне. При инжекции носителей в квантовую яму часть их энергии тратится на испускание фононов, т. е. преоб­разуется в тепловую энергию. Потери энергии при неадиабатической инжекции носителей характерны для полупроводников с большими значениями разрывов зон АЕс и AEv — GaN и других материалов на основе нитридов III группы.

Из сказанного следует, что полное падение напряжения на свето­диоде при прямом смещении определяется выражением

V=^ + IRS+ АЕс-Ео + АД,-До, (442)

е ее

где первое слагаемое является теоретическим минимумом напряжения, второе зависит от последовательного сопротивления устройства, а тре­тье и четвертое появляются вследствие неадиабатической инжекции носителей в активную область.

Экспериментально было показано, что напряжение на диоде может быть несколько ниже минимального значения, полученного при по­мощи выражения (4.42), т. е. меньше Ед/е и hv/e. Средняя тепловая энергия как электронов, так и дырок равна кТ. При прямом смещении р-п-перехода носители, обладающие высокой энергией, быстрее диф­фундируют в область с противоположной проводимостью, чем носители с низкой энергией, поэтому именно они чаще участвуют в процессах рекомбинации. При комнатной температуре энергия АкТ соответствует напряжению ~ 100 мВ. В светодиоде с небольшим сопротивлением на­пряжение на диоде может быть на 100-200 мВ ниже hv/e. Например,

в светодиоде GaAs (Eg = 1,42 эВ) при прямом смещении генерация некоторой части фотонов с hv = 1,42 эВ начинается при напряжении на диоде 1,32 В, что ниже энергии фотона 9.

Упражнение. Определение напряжения возбуждения светодиода

Рассчитать приблизительные значения прямого напряжения светодиодов, излучающих в синем, зеленом и красном диапазонах видимого спектра. Опре­делить прямое напряжение светодиодов, излучающих свет с длинами волн 870 нм и 1,55 мкм.

Решение

') Этот факт не противоречит второму закону термодинамики, так как интегрально по всему спектру внутренний квантовый выход излучения меньше 100%.