Зависимость интенсивности излучения светодиода от величины тока и уровня легирования материала

Рассмотрим одну из основных характеристик светодиода: связь между интенсивностью его излучения и величиной тока, протекающего через него. Будем предполагать, что число актов излучательной рекомбинации в единицу времени пропорционально концентрации свободных электронов и дырок, а число безызлучательных – концентрации носителей заряда только одного знака. В последнем случае инжектированные носители заряда, например, электроны, захватываются глубокими центрами и безызлучательно переходят в валентную зону. Поэтому при увеличении инжекции электронов количество переходов с участием глубоких уровней будет возрастать, и число рекомбинаций будет ограничиваться общим числом таких уровней. Соответственно увеличится доля актов рекомбинации через центры свечения.

Положение существенно не изменится, если предполагать, что все рекомбинации происходят в области объемного заряда шириной w. Обозначим через R ₁ =γ₁∙ n ∙ p и R ₂ =γ ₂ ∙ n скорости излучательной и безызлучательной рекомбинаций (здесь γ ₁ и γ ₂ – вероятности рекомбинации). Чтобы узнать общую скорость рекомбинации R,необходимо просуммировать все акты рекомбинации. Для симметричного р – n -перехода единичной площади и средних значений п и р на длине рекомбинации w скорость рекомбинации

                                      (2.10)

В стационарном состоянии общее число актов рекомбинации пропорционально плотности тока j через р – n -переход. В то же время интенсивность излучения I пропорциональна произведению концентрации электронов и дырок или в нашем приближении I ~п ². Тогда при малых плотностях тока j ~ R = γ₂∙ n ∙ w, а I ~ n ²~ j ²; при больших плотностях тока R ₁>> R ₂ и j ~ R = γ₁∙ n ² ∙ w, а I ~ n ²~ j.

Светодиод как излучатель может входить составной частью в оптоэлектронные устройства, например в оптроны. Для анализа работы таких устройств в качестве рабочего используют почти линейный участок характеристики I = f (j), протяженность которого определяется изменением интенсивности излучения в пределах одного-двух порядков. При этом зависимость интенсивности излучения от плотности тока аппроксимируют следующим выражением:

,                                                (2.11)

где I ₀,  и j ₀ – постоянные, которые зависят от типа диода, параметров материала, характеристик контактов и температуры.

В рабочем диапазоне изменения интенсивности излучения  обычно имеет значение 0,92–1,05. При больших значениях j соотношение (2.11) нарушается. При этом наблюдается тенденция к насыщению характеристики I = f (j) вследствие заполнения излучательных центров или изменения механизма переноса носителей заряда при высоких уровнях инжекции.

На рисунке 2.5 представлены механизмы излучательной рекомбинации. Основными легирующими примесями в светодиодах на основе соединений A^IIIB^V являются элементы II группы: Zn и Mg – акцепторы; V группы: N, который выступает как изоэлектронная примесь; VI группы: S, Se, Те – доноры, а также комплексы Zn–О, Cd–О, которые играют роль центров захвата носителей заряда при рекомбинации на донорно-акцепторных парах. Такое легирование осуществляется для увеличения интенсивности излучения светодиодов.

Рис. 2.5. Механизмы излучательной рекомбинации: а – рекомбинация электрона, локализованного на донорном уровне со свободной дыркой; б – рекомбинация электрона, локализованного на донорном уровне с дыркой на акцепторе; в – рекомбинация дырки на акцепторе со свободным электроном; г – рекомбинация свободных электронов и дырок	Рис. 2.6. Зависимость энергии фотонов, излучаемых светодиодом, от концентрации легирующей примеси для различных механизмов рекомбинации: а – донор – свободная дырка; б – акцептор – свободный электрон

Особенно важна роль примесных центров рекомбинации в приборах на основе полупроводников с непрямыми переходами (таких, как GaP). При этом характерно, что энергия кванта света при рекомбинации донор – свободная дырка (в n -типе) больше, чем акцептор – свободный электрон (в р -типе) (рисунок 2.6).

Причина состоит в том, что глубина залегания донорных уровней меньше, чем акцепторных. Следует отметить, что примесная люминесценция характеризуется меньшим значением энергии фотона (сдвиг в красную область спектра), а также большей инерционностью по сравнению с краевым излучением. С увеличением концентраций легирующей примеси вследствие взаимодействия примесных атомов между собой образуются примесные зоны, которые сливаются с разрешенными зонами энергий («хвосты» Урбаха). Поэтому с ростом уровня легирования увеличивается энергия кванта излучения (рисунок 2.6).