curs 9 2015 led.doc

PAGE

Emitori de radiaie din materiale semiconductoare

n optoelectronic se utilizeaz, n general, surse de radiaie bazate pe materiale semiconductoare. Acestea au dou mari avantaje fa de alte surse de radiaie coerent (laserii convenionali): 1) au dimensiuni foarte mici (300 (m(10 (m(50 (m), cu o lrgime a zonei active foarte mic (2-4 (m), prin urmare eficiena de cuplaj cu fibrele optice (care au dimensiuni transversale de acelai ordin de mrime) este mare; 2) sunt, n general, uor de fabricat i sunt portabile. Trebuie menionat c puterea emis de laserii cu semiconductori este mai mic dect puterea emis de laserii cu mediu activ solid convenionali (cu rubin, YAG) sau de laserii cu gaz (Ar, He-Ne, ), dar suficient pentru transmiterea informaiei.

1 Dioda luminescent LED

Fig. 1 (semic. nedegenerat)

Fig. 2

Principiul de funcionare. Cnd o jonciune p-n este polarizat n sens direct electronii, care sunt majoritari n regiunea n, difuzeaz n regiunea p unde se recombin cu golurile. Un proces asemntor se produce i pentru goluri. Structura de baz a unei diode luminescente, LED (Light Emitting Diode), este o jonciune p-n realizat din semiconductori cu band interzis direct (de exemplu GaAs sau AlxGa1-xAs, x 3 eV) conductivitatea lui electric este greu de variat - un motiv pentru care mult timp nu a putut fi utilizat pentru dispozitive electronice. Procesul de cretere epitaxial prin depunere de vapori a permis obinerea de straturi subiri de GaN pe un substrat de safir sau de SiC. Pentru c au constante de reea mult diferite (aproximativ 16% diferen), s-a intercalat un strat tampon subire de 10-20 nm din AlN pentru a mbunti calitatea monocristalului de GaN. O alt problem a fost obinerea unei conductiviti de tip p n acest material (pentru care, n schimb, doparea de tip n este uor de realizat). Primele cercetri s-au focalizat pe alegerea Mg (element bivalent) ca impuritate acceptoare. Dar, dup introducerea atomilor de Mg, n GaN se formeaz defecte de reea care se comport ca centri donori, compensnd impuritile acceptoare. De abia dup 1989 s-a observat c, dac dup procesul de epitaxie proba de GaN impurificat cu Mg este iradiat cu fascicule de electroni de energie mic, se obine o scdere semnificativ a rezistivitii electrice a materialului. Ulterior, s-au obinut GaN de tip p cu o repartizare uniform a atomilor de Mg tratnd probele la temperaturi nalte ntr-o atmosfer de azot. Chiar i aa, obinerea de concentraii mari de goluri la temperatura camerei, necesar funcionrii dispozitivului, este greu de realizat datorit energiei de activare mari a Mg. Valoarea determinat experimental pentru energia de activare este de aproximativ 200 meV, mult mai mare dect energia termic. (Obs. n aproximaia masei efective, energia de ionizare depinde de constanta dielectric i de masa efectiv a purttorilor de sarcin n semiconductor. GaN are permitivitatea dielectric relativ mic (, comparativ cu aproximativ 13 pentru GaAs i o mas efectiv mare a golurilor, care determin o valoare mare a energiei de ionizare). Prin urmare, n condiii de echilibru termic, la temperatura camerei numai aproximativ 1% din acceptori sunt ionizai. Aceast conductivitate de tip p sczut conduce la valori mari ale rezistenei ohmice la contacte. Prima diod din GaN cu emisie n albastru a fost comercializat de japonezi n 1993, dar continu cercetrile legate de creterea concentraiei de goluri i de alegerea unui dopant de tip p cu o energie de ionizare mai mic.

Randamentul

Alturi de lungimea de und a radiaiei emise, un parametru important n descrierea unei diode electroluminescente este randamentul. Se pot defini a) Randamentul cuantic intern (ILa recombinarea purttorilor n exces difuzai n fiecare regiune, o parte din procese sunt radiative, altele nu.

(8)unde i sunt timpii de via corespunztori procesului radiativ, respectiv neradiativ.

Se observ c pentru