Lucrări de laborator № 7
Obiectiv: studierea recombinării radiative în joncțiunile p-n; investigarea spectrului de emisie al unui LED de arsenid de galiu; determinarea randamentului cuantic al radiației externe; obținerea caracteristicii de curent de tensiune a LED-ului și determinarea constantei Planck.
Aparate și accesorii. monocromator MUM, voltmetru V7-22A, LED (roșu) pe panou, sursă de alimentare (coroană), regulator de tensiune, indicator microammetru.
Introducere teoretică
§ 1. Mecanismul de recombinare radiativă în joncțiunile p-n
Dacă perechile de echilibru între electroni și gauri sunt excitate într-un semiconductor, o parte din energia lor în timpul recombinării poate fi emisă sub formă de canale de lumină. Un astfel de proces se numește recombinare radiativă. Una dintre cele mai convenabile modalități de a crea perechi de electroni-gauri într-un semiconductor este să treacă un curent direct prin joncțiunea p-n. Când curentul înainte trece prin joncțiunea p-n. electronii (figura 1) din regiunea n merg (injectați) în regiunea p. Deoarece în regiunea p există o concentrație mare de găuri, electronii transferați se recombină cu găurile. Recombinarea electronilor și a găurilor poate fi însoțită de emisia de quanta ușoară
Fig. 2. Mecanismele de radiație
Radiation recombinarea este singurul mecanism fizic de generare a luminii în diode emițătoare de lumină. Într-o formă generalizată, mecanismul recombinării radiative poate fi clasificat după cum urmează (a se vedea Figura 2).
a). Recombinarea interbandă, în care electronul din banda de conducere merge direct în banda de valență în locul găurii, radiând oarecum mai mare decât banda interzisă.
b), c). Recombinarea transportatorilor liberi în centrele de impurități; acceptor de electroni sau donator de gauri, în care purtătorul este capturat în centrul său de impurități și apoi se recombinează cu un purtător liber al semnului opus.
g). Interimpurity sau recombinare donor-acceptor, în care transportatorii sunt capturate în centrele lor de impurități și apoi electron este transferat de la donator la acceptor în actul de proces de recombinare radiativă; pentru o astfel de tranziție este necesar să se suprapună parțial funcțiile de undă ale electronului și orificiului.
Să luăm în considerare dependența energiei unui electron liber într-un vid asupra impulsului său
unde
Dependența prezentată în Fig. 3, este diagrama energetică a electronilor liberi în vid, reprezentată în spațiul de impuls (sau în spațiul vectorilor de undă
cristalul semiconductor, un electron liber poate fi considerat liber doar condiționat; câmpul potențial periodic al rețelei cristaline acționează asupra electronului din cristal. Pentru a descrie legile complexe ale mișcării unui electron într-un cristal cu ajutorul relațiilor, aceeași formă cu legile mecanicii clasice, este posibil să se ia în considerare influența forțelor interne asupra electronilor prin modificarea valorii masei sale, și anume, introducând conceptul unei mase eficiente a unui electron (sau a unei găuri). Astfel, masa efectivă este coeficientul de proporționalitate din legea care leagă forța exterioară care acționează asupra electronului din cristal, cu accelerația sa. În concordanță cu aceasta, este momentul de electroni din rețeaua cristalină
Banda de conducție a unui semiconductor poate fi formată din mai multe benzi de energie care se suprapun. În consecință, structura benzilor energetice sau diagrama energetică a unui semiconductor în spațiul quasimomenta (sau în k-spațiu) poate avea mai multe minime (figura 4). De exemplu, în diagrama energetică a benzii de conducție arseniură de galiu, cu excepția văii centrale a energiei minime la un vector wavenumber k = 0 vale are o altă parte, cu un minim de energie, care este diferită de cea anterioară. Din această diagramă de energie care, în banda de galiu arseniu de conducere poate exista electroni care au aceeași energie, dar având diferite quasimomenta, și masa efectivă, prin urmare, de mare:
Dacă P1<Р2. то
unde
Astfel, în semiconductor (arsenide galiu) pot exista electroni liberi cu diferite mobilităților, electroni elective „ușoare“, cu greutate redusă și mobilitate ridicată în vale centrală și electroni „grele“, cu o masă eficientă mare și mobilitate în văile laterale joase.
Să luăm în considerare mecanismele de recombinare radiativă, care se realizează cel mai adesea în diode emițătoare de lumină.
1). Recombinarea radiativa datorită zonei de tranziție directă radiative - (. Figura 4a), zona se realizează în direct gap semiconductor (GaAs, InAs, InSb, soluțiile solide GaAlAs și colab.). În aceste semiconductori, minimul absolut al benzii de conducție este la aceeași valoare a quasimomentului
2). Dacă pozițiile extremelor absolute ale lui C și
Deoarece radiațiile emise diode de recombinare (de exemplu, fluorescent), nu se încălzește, distribuția spectrală (Figura 5) este distribuția spectrală mult mai restrânsă a radiației corpuluinegru, care este aproape de spectrul de becuri. LED-urile au aplicații practice importante ca dispozitive vizuale de afișare a informațiilor. factorul de conversie al energiei electrice în energie lumină în ele este mare. Dintre materialele semiconductoare utilizate în prezent, compușii GaAs sunt cei mai buni din punct de vedere al eficienței. Diferența de bandă a acestor compuși crește de la 1.424 eV (GaAs pur) la 1.977 eV (compus GaAsP).