значение и величину /«мин = 35 мккд в выражение (1.12), получаем /пр.мин==1 мА.

Подводя итог анализу системы параметров ПИ, можно, по-видимому, считать, что главное направление развития всех разновидностей индикаторов состоит в уменьшении потребляемого тока при достижении и сохранении минимальной необходимой силы света излучения.

На первом этапе развития ПИ добиваются увеличения силы света элемента /„ до уровня /«мин (см. рис. 1.6 и табл. 1.6) при максимальной солнечной засветке 3,5-Ю* лк; при этом значение /пр.ном, как правило, весьма велико и определяется допустимой мощностью рассеяния данного типа ПИ.

На втором этапе осуществляется снижение /пр.ном вплоть до теоретического предела /«=/„мин, величина /„ при этом поддерживается постоянной.

Оба этапа характеризуются планомерным увеличением /«уд за счет повышения качества данного исходного материала и оптимизации конструкции светоизлучающих элементов.

Параллельно с увеличением /«уд необходимо проводить комплекс исследований и разработок по уменьшению /«мин, т. е. переходить по возможности на использование материалов с наименьшим значением AXo.s без уменьшения отношения /«уд/pd.

Глава 2.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ИНДИКАТОРОВ

2.1. ЗОННАЯ ДИАГРАММА ГОМО- И ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ

И ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕКЦИИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Принцип действия полупроводниковых индикаторов основан на преобразовании энергии неосновных неравновесных носителей заряда, инжектированных приложенным напряжением в «активную» область светоизлучающего элемента, в энергию рекомбина-ционного излучения.

Основные параметры ПЗСИ определяются в первую очередь конкретным типом механизма возбуждения электролюминесценции, типом используемой структуры и характеристиками полупроводникового материала (зонной структурой энергетического спектра, уронем и характером примесного легирования).

МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Рассмотрение электролюминесценции, связанной с отклонением полупроводниковой структуры как еистемы от термодинамического равновесия [22], позволяет классифицировать различные ви-

ды электролюминесценции не только по специфике ее практической реализации, но и по степени нарушения рзБНОвесия.

Наибольшее распространение в приборных разработках получила инжекционная электролюминесценция, реализуемая в прямосмещенных р-п переходах. В них приложением прямого смещения частично компенсируется контактная разность потенциалов (рис. 2.1) и реализуется слабое отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. При этом распределение свободных электронов и дырок по энергиям, описываемое введением квазиуровней Ферми, слабо отклоняется от равновесного, соответствующего температуре кристаллической решетки.

Снижение высоты потенциального барьера сопровождается инжекцией электронов в р-область и дырок в «-область. Возвращение системы к термодинамическому равновесию сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей. Известны два основных процесса рекомбинации. Первый процесс сопровождается испусканием квантов излучения (излучательная рекомбинация). Альтернативным процессом является безызлучательная рекомбинация, при которой энергия возбуждения в конечном итоге передается кристаллической решетке. Рекомбинационные процессы в полупроводниках принято характеризовать временами жизни неосновных носителей (ти и Тб - соответственно в процессах излучательной и безызлучательной рекомбинации). Эффективность излучательной рекомбинации характеризуется внутренним квантовым выходом

Сложный характер физических процессов в полупроводниках обусловливает разнообразие механизмов рекомбинации в них, подробнее рассмотренных в дальнейшем.

В связи с тем, что эффективность излучательной рекомбинации в полупроводниках в значительной степени определяется характером примесного легирования, большое значение имеет обеспечение условий, при которых излучательная рекомбинация происходит в основном либо в либо в р-области структуры. Это, в свою очередь, требует преимущественной инжекции соответствующего типа неосновных носителей заряда. Параметром, характеризующим вклад электронной или дырочной составляющей в полный ток через р-п переход, является коэффициент инжекции электронов или дырок.

Ю 6)

Рис. 2.1. Зонная диаграмма прямосмещенного гомоперехода (о) и гетероперехода (б)

Наличие в зонной диаграмме р-п гетероперехода характерных разрывов в валентной зоне (А) и зоне проводимости (Afc) может привести к тому, что концентрация инжектированных носителей превысит концентрацию основных носителей в эмиттере [23]. Таким образом, в гетеропереходе может быть реализована практически односторонняя инжекция носителей (близкая в ряде случаев к 100%). Высокая эффективность излучательной рекомбинации, реализуемой в полупроводниках с прямым типом зонной структуры в сочетании с большим коэффициентом инжекции и малым рабочим напряжением, сравнимым с контактной разностью потенциалов, делает полупроводниковые р-п гетеро- и гомопереходы чрезвычайно интересными для разработки высокоэффективных источников .излучения.

Как показывает термодинамический анализ процесса генерации излучения в полупроводниковых структурах [32], принципиально возможно достижение КПД, превышающего единицу, при этом избыточная энергия отбирается от решеточной подсистемы кристалла. Обзор экспериментальных результатов, приведенный в г[24], позволяет сделать вывод о том, что в наибольшей степени указанный эффект проявляется в широкозонных соединениях. Необходимой его предпосылкой являются практически полное подавление каналов безызлучательной рекомбинации (обеспечение близкого к 100% внутреннего квантового выхода) и практически полный вывод излучения из объема кристалла. Оба требования хорошо вписываются в общее русло исследований в области оптоэлектроники.

Практическая реализация указанных требований позволит в перспективе разработать приборы, сочетающие в себе функции высокоэффективного излучателя и охлаждающего устройства.

Существенное отклонение от состояния термодинамического равновесия может возникнуть, если носители заряда находятся в условиях сильного электрического поля, приводящего не только к изменению их концентрации, но и к повышению кинетической енергии до нескольких электрон-вольт. Простейшей приборной реализацией таких условий является обратносмещенный р-п переход. Как показывают оценки, в этом случае локальная напряженность электрического поля в слое объемного заряда может достигать 10... 10 В/см. Большая энергия «горячих» носителей обеспечивает генерацию излучения с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны. Как показывают данные экспериментов, проведенных на р-п структурах соединений А"В и АВ [25], коротковолновая граница спектров излучения в действительности располагается на энергетической шкале существенно выше Eg. Сложный характер излучательной рекомбинации с участием «горячих» носителей приводит к возникновению широкополосного спектра излучения, перекрывающего видимый диапазон и часть ближнего ИК-Диапазона спектра [26]. Широкополосный характер спектров излучения и относительно низкая эффективность (ti = 10~*... ... 10~) являются существенными недостатками предпробойной лю-2-88 36