Инжекция неосновных носителей тока

Инжекция неосновных носителей тока. В основе работы полупроводниковых светоизлучаю-щих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшие из них инжекция неосновных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо- или гете-ропереходом излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры.

В настоящей главе будут рассмотрены важнейшие физические явления, на основе которых функционирует светоизлучающий диод и которые необходимо учитывать при конструировании приборов различного назначения. Явление инжекции неосновных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов недаром эти приборы часто называют инжекционными источниками света. Вопросы физики протекания инжекционного тока в р-n-переходах рассмотрены в работах Шокли и многих монографиях.

В обобщенном виде инжекция носителей р-п- переходом может быть представлена следующим образом. Когда в полупроводнике создается р-n-переход, то носители в его окрестностях распределяются таким образом, чтобы выров-нять уровень Ферми. В области контакта слоев p- и n-типов элек-троны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доно-ров на n-сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р-стороне.

Электрическое поле дипольного слоя созда-ет потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. При подаче на р-n-переход электрического смещения в прямом направлении U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область - дырок.

Такое диффузионное введение неосновных носителей называется инжекцией. Концентрация инжектированных электронов на границе р-n-перехода и р-области n хp определяется выражением п Хр np exp еU kT , 1 где nр-концентрация равновесных электронов в р-области k-константа Больцмана Т-температура e-заряд электрона. Концентрация инжектированных носителей зависит только от равновесной концентрации неосновных носителей и приложенного напряжения.

Поскольку инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями соответствующей области, то их концентрация п р в зависимости от расстояния от р-n-перехода изменяется следующим образом для электронов в р-области n p n xp exp - x-xp Ln , 2 где Ln - Диффузионная длина электронов. Как следует из формулы 2 . концентрация избыточных носителей экспоненциально спадает по мере удаления от р-n-перехода и на расстоянии Ln Lр уменьшается в e раз, где e 2,72 основание натурального логарифма. Диффузионный ток In, обусловленный рекомбинацией инжектированных электронов, описывается выражением In eDnnp exp eU kT -1 Ln 3 где Dn - коэффициент диффузии электронов.

Диффузионный ток дырок In описывается аналогичным выражением. В случае, когда существенны оба компонента тока электронный и дырочный, общий ток I описывается формулой I In0 Iр0 exp eU kT - 1 , 4 где In0 eDn np Ln Ip0 eDp pn Lp. 5 Особенность решения вопросов инжекции при конструировании светоизлучающих диодов, в которых, как правило, одна из областей p-n-структуры оптически активна, т.е. обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения, заключается в том, что для получения эффективной электролюминесценции вся инжекция неосновных носителей должна направляться в эту активную область, а инжекция в противоположную сторону-подавляться.

Если активна область р-типа, то необходимо, чтобы электронная составляющая диффузионного тока преобладала над дырочной, а интенсивность рекомбинации в области объемного заряда была низка.

Коэффициент инжекции п, т.е. отношение электронной компоненты тока In0 к полному прямому току I In0 Ip0, определяется по формуле n LpNd LpNd Dp Dn LnAa , 6 где Nd и Na - концентрации доноров и акцепторов в л- и р -областях. Из выражения 6 следует, что для получения величины п, близкой к 1, необходимо, чтобы Nd Na, Lp Ln, Dn Dp. Решающую роль, безусловно, имеет обеспечение соотношения Nd Na. Однако повышение концентрации носителей в инжектирующей области имеет свои пределы.

Как правило, значения Nd или Na не должны превышать 1-5 I019 см-3, так как при более высоком уровне легирования возрастает концентрация дефектов в материале, что приводит к увеличению доли туннельного тока и ухудшению, тем самым, инжектирующих свойств р-n-перехода. Как будет видно из дальнейшего изложения, для повышения внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в прямо-зонных полупроводниках необходимо повышать концентрацию носителей и в активной области, в связи с чем возникают дополнительные трудности с обеспечением одностороннего характера инжекции.

Таким образом, в гомопереходах существуют трудности по обеспечению высокого коэффициента инжекции носителей в активную область, обусловленные противоречивыми требованиями к легированию p- и n-областей структуры для достижения высокого коэффициента инжекции и максимального квантового выхода электролюминесценции в активной области.

В некоторых полупроводниках высокий коэффициент инжекции носителей в одну из областей р-n-перехода может быть обеспечен разницей в подвижности электронов и дырок. Так, в GaAs и других прямозонных соединениях высокий коэффициент инжекции электронов в р-область может быть осуществлен за счет более высокой подвижности электронов. Следует отметить, что в последнее время появились светоизлучающие диоды, в которых люминесцируют обе области p-n-перехода, а также область пространственного заряда, и от эффективности излучательной рекомбинации в этих областях зависят важные характеристики цвет свечения, сила света и т. п. В этом случае инжекция носителей в обе области должна носить дозированный характер, что предъявляет высокие требования к точности легирования областей p - n-структуры.

Кардинальное решение проблемы односторонней инжекции дают гетеропереходы. Свойства гетеропереходов, возникающих на границе раздела двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, описаны в ряде монографий.

В зонной модели резкого n-р- и р-n-гетероперехода в отличие от зонной модели гомоперехода вследствие разности электронного сродства контактирующих веществ появляются разрывы в валентной зоне E и зоне проводимости Ec. Наличие этих потенциальных барьеров при смещении перехода в пропускном направлении приводит к односторонней инжекции носителей тока из широкозонного материала в узкозонный практически независимо от уровня легирования n- и p-областей.

Для обеспечения односторонней инжекции носителей с помощью гетероперехода достаточна разница в ширине запрещенной зоны около 0,1 эВ, так как отношение In Ip пропорционально ехр Eg kT . Другая особенность гетеропереходов заключается в возможности получения в узкозонном полупроводнике концентрации инжектированных носителей, превышающей концентрацию основных носителей в широкозонном полупроводнике. Этот эффект называется суперинжекцией. Явление суперинжекции позволяет получить в активной области высокую концентрацию инжектированных носителей, недостижимую с помощью гомоперехода.

В некоторых случаях о явлении суперинжекции говорят и тогда, когда концентрация инжектированных носителей в активной области при наличии гетероэмиттера превышает концентрацию носителей в активной области при том же токе в случае гомоперехода. Для инжекции неосновных носителей в активную область структуры применяется также контакт металл - полупроводник барьер Шоттки или металл - диэлектрик - полупроводник.

Такой контакт создают в тех случаях, когда получение р-n-перехода невозможно, например при использовании полупроводниковых соединений типа AIIBVI ZnS, ZnSe , GaN и др. Эффективность инжекции носителей в полупроводник у барьеров Шоттки весьма низка не превышает 1 , что приводит к малым значениям КПД излучающих диодов даже при высоких значениях внутреннего квантового выхода излучения. В связи с этим барьеры Шоттки не нашли широкого применения при изготовлении излучающих диодов. Помимо инжекции существует еще один механизм возбуждения электролюминесценции - это ударная ионизация при обратном смещении р-n-перехода до напряжения электрического пробоя.

Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен, чем инжекционный, из-за участия в нем разогретых носителей, которые часть энергии возбуждения передают решетке полупроводника. Кроме того, ударная ионизация требует высоких напряжений на р-n-переходе, вызывающих сильный перегрев р-n-перехода, который в отсутствие достаточного теплоотвода от кристалла может приводить к тепловому пробою и выходу прибора из строя.