Инжектиране на носители на малцинства

Работа, извършена през 2001г

Инжектиране на малцинствени носители на ток - Резюме, раздел Физика, - 2001 - Светоизлъчващи диоди Инжектиране на малцинствени носители на ток. Основата на полупроводника Светоиз.

Инжектиране на малцинствени превозвачи на ток. Работата на полупроводниковите светодиоди се основава на редица физически явления, най-важните от които са инжектирането на малцинствени носители в активната област на структурата чрез електронна дупка хомо- или хетеропреход, радиационна рекомбинация на инжектирани носители в активната област на структурата.

Тази глава ще разгледа най-важните физически явления, въз основа на които функционира светодиодът и които трябва да се вземат предвид при проектирането на устройства за различни цели. Феноменът на инжектиране на малцинствен носител служи като основен механизъм за въвеждане на неравновесни носители в активната област на структурата на светодиодите и не без причина тези устройства често се наричат ​​инжекционни светлинни източници. Физиката на потока на инжекционния ток в pn преходи е разгледана в трудовете на Шокли и в много монографии.

В генерализирана форма инжектирането на носители чрез pn прехода може да бъде представено по следния начин. Когато се създаде pn преход в полупроводник, носителите в неговата околност се разпределят по такъв начин, че да изравнят нивото на Ферми. В контактната област на p- и n-тип слоеве, електроните от донори преминават към най-близките акцептори и се образува диполен слой, състоящ се от йонизирани положителни донори от n-страните и йонизирани отрицателни акцептори от p-страната.

Електрическото поле на диполния слой създава потенциална бариера, която предотвратява по-нататъшната дифузия на електрическите заряди. При прилагане на електрическо изместване в посока напред U към p-n-прехода потенциалната бариера намалява, в резултат на което допълнителен брой електрони ще влязат в p-областта и дупки ще влязат в n-областта.

Това дифузионно въвеждане на малцинствени носители се нарича инжектиране. Концентрацията на инжектирани електрони на границата на pn-прехода и p-областта n xp се определя от израза n Xp np exp eU kT, 1 където np е концентрацията на равновесни електрони в p-областта k-константа на Болцман T-температурен електронен заряд. Концентрацията на инжектираните носители зависи само от равновесната концентрация на малцинствените носители и приложеното напрежение.

Тъй като инжектираните носители се рекомбинират с повечето носители на съответната област, тяхната концентрация np, в зависимост от разстоянието от pn прехода, се променя, както следва за електроните в p-областта npn xp exp - x-xp Ln, 2 където Ln е дифузионната дължина на електроните ... Както следва от формула 2. концентрацията на излишните носители експоненциално намалява с разстоянието от pn-прехода и на разстоянието Ln Lp намалява с коефициент e, където e 2.72 е основата на естествения логаритъм. Дифузионният ток In, дължащ се на рекомбинацията на инжектираните електрони, се описва с израза In eDnnp exp eU kT -1 Ln 3, където Dn е коефициентът на електронна дифузия.

Токът на дифузионния отвор In се описва с подобен израз. В случаите, когато както електронните, така и дупковите компоненти на тока са значителни, общият ток I се описва с формулата I In0 Iр0 exp eU kT - 1, 4 където In0 eDn np Ln Ip0 eDp pn Lp. 5 Особеността на решаването на инжекционни проблеми при проектирането на светодиоди, при които по правило една от областите на p-n-структурата е оптически активна, т.е. притежава висок вътрешен квантов добив на радиация, се крие във факта, че за да се получи ефективна електролуминесценция, цялото инжектиране на малцинствените носители трябва да бъде насочено в тази активна област, а инжектирането в обратната посока трябва да бъде потиснато.

Ако p-тип регионът е активен, тогава е необходимо електронният компонент на дифузионния ток да преобладава над дупковия и интензивността на рекомбинацията в областта на космическия заряд е ниска.

Инжекционен коефициент n, т.е. съотношението на електронния компонент на тока In0 към общия преден ток I In0 Ip0 се определя по формулата n LpNd LpNd Dp Dn LnAa, 6 където Nd и Na са концентрациите на донори и акцептори в n- и p-областите . От израз 6 следва, че за да се получи стойност n, близка до 1, е необходимо Nd Na, Lp Ln, Dn Dp. Решаващата роля със сигурност се играе чрез осигуряване на съотношението Nd към Na. Увеличаването на концентрацията на носител в областта на инжектиране обаче има своите граници.

Като правило стойностите на Nd или Na не трябва да надвишават 1-5 I019 cm-3, тъй като при по-високо ниво на легиране концентрацията на дефекти в материала се увеличава, което води до увеличаване на фракцията на тунела ток и влошаване, следователно, на инжекционните свойства на pn-прехода. Както ще се види от по-нататъшната дискусия, за да се увеличи вътрешният квантов добив на радиационна рекомбинация в полупроводници с права лента, е необходимо да се увеличи концентрацията на носителя и в активната област, във връзка с което възникват допълнителни трудности при осигуряването едностранчивия характер на инжекцията.

По този начин при хомоприсъединяването има трудности при осигуряването на висок коефициент на впръскване на носители в активната област, поради противоречивите изисквания за легиране на p- и n-областите на конструкцията за постигане на висок коефициент на впръскване и максимален квантов добив електролуминесценция в активната област.

В някои полупроводници висок коефициент на впръскване на носител в една от областите на pn-прехода може да бъде осигурен от разликата в подвижността на електроните и дупките. По този начин в GaAs и други съединения с директна междина може да се постигне висок коефициент на впръскване на електрони в р-областта поради по-голямата електронна подвижност. Трябва да се отбележи, че наскоро се появиха диоди, излъчващи светлина, в които както pn-свързващите области, така и областта на космическия заряд луминисцират, както и важните характеристики на цвета на излъчване, интензитета на светлината и т.н., зависят от ефективността на радиационната рекомбинация тези региони.инжектирането на носители в двата региона трябва да се дозира, което поставя високи изисквания към точността на допиране на регионите на p - n структурата.

Хетероиндукциите предоставят радикално решение на проблема с едностранната инжекция. Свойствата на хетеросъединенията, възникващи на границата на взаимодействие между два полупроводника с различни пропуски в лентата, са описани в редица монографии.

В лентовия модел на рязка n-p и p-n хетеропреход, за разлика от лентовия модел на хомопреход, се появяват прекъсвания във валентната лента E и проводимостта Ec поради разликата в електронния афинитет на контактуващите вещества. Наличието на тези потенциални бариери, когато преходът е изместен в посоката на предаване, води до едностранно инжектиране на токови носители от материал с широка междина в материал с тесни междини, практически независимо от нивото на допиране на n- и p-областите .

За да се осигури едностранно инжектиране на носители, използвайки хетеросъединение, е достатъчна разлика в лентовата междина от около 0,1 eV, тъй като съотношението в Ip е пропорционално на exp Eg kT. Друга характеристика на хетеропреходните връзки е възможността за получаване на концентрация на инжектирани носители в тесен междинен полупроводник, която надвишава концентрацията на мажоритарни носители в широколуков полупроводник. Този ефект се нарича суперинжекция. Феноменът на суперинжектирането позволява да се получи в активната област висока концентрация на инжектирани носители, което е непостижимо при хомоюнкция.

В някои случаи се говори и за феномена на суперинжектиране, когато концентрацията на инжектирани носители в активната област в присъствието на хетеромитър превишава концентрацията на носители в активната област при същия ток в случай на хомопреход. За инжектиране на малцинствени носители в активната област на конструкцията, контакт метал-полупроводник, бариера на Шотки или метал-диелектрик-полупроводник.

Такъв контакт се създава в случаите, когато е невъзможно да се получи pn преход, например при използване на полупроводникови съединения от типа AIIBVI ZnS, ZnSe, GaN и др. Ефективността на впръскване на носител в полупроводник близо до бариерите на Шотки е много ниска, не надвишава 1, което води до малки стойности Ефективността на излъчващите диоди дори при високи стойности на вътрешния квантов добив на радиация. В това отношение бариерите на Шотки не са намерили широко приложение при производството на излъчващи диоди. В допълнение към инжектирането има още един механизъм за възбуждане на електролуминесценцията - това е ударна йонизация с обратен отклонение на pn прехода към електрическото напрежение на пробив.

Този механизъм за въвеждане на неравновесни носители е по-малко ефективен от инжекционния, поради участието на нагрети носители в него, които прехвърлят част от енергията на възбуждане към полупроводниковата решетка. В допълнение, ударната йонизация изисква високи напрежения в pn прехода, които причиняват силно прегряване на pn прехода, което при липса на достатъчно отстраняване на топлината от кристала може да доведе до термичен срив и повреда на устройството.