Квантовый выход светочувствительных структур полупроводник-металл-диэлектрик

Формула изобретения

Способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл, включающий последовательное нанесение напылением на диэлектрическую подложку через трафарет слоя металла (в виде змейки) толщиной 200 нм, слоя дийодида олова толщиной 50 – 150 нм, экспонирование ультрафиолетовым или видимым светом, измерение энергии, поглощенной системой, измерение сопротивления м

еталлического слоя (змейки), отличающийся тем, что число ионов металла, диффундировавших из облучаемого участка в полупроводник, определяют по изменению сопротивления металлического слоя в процессе облучения.

Реферат описания изобретения

Предлагаемый способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл может найти практическое применение в фотолитографии, оптотехнике систем полупроводник-металл, при определении к.п.д. фотокатодов.

Предлагается способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл, включающий последовательное нанесение напылением на диэлектрическую подложку через трафарет слоя металла (в виде змейки), слоя дийодида олова, экспонирование ультрафиолетовым или видимым светом, измерение энергии, поглощенной системой, измерение сопротивления металлического слоя (змейки), отличающийся тем, что число ионов металла, диффундировавших из облучаемого участка в полупроводник, определяют по изменению сопротивления металлического слоя в процессе облучения.

Современные светодиоды

В последние годы мы стали свидетелями стремительного развития и революционного совершенствования светодиодов (сокращенно ОИД — светоизлучающие диоды, в английском варианте LED — light emitting diodes) — твердотельных полупроводниковых источников света. Еще недавно светодиоды были всего лишь устройствами индикации, а сегодня это уже высокоэффективные источники света, которые в ближайшие 10-15 лет преобразят мир искусственного освещения и полностью заменят лампы накаливания.

Чтобы понять, почему светодиодам пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее их устройство, историю создания и развития. В 1907 году английский инженер Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение «непостижимо талантливый русский» Олег Владимирович Лосев.

Обнаружив в 1922 году во время своих ночных радиовахт свечение кристаллического детектора, этот, тогда еще 18-летний, радиолюбитель не ограничился констатацией «странного» факта, а незамедлительно перешел к оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. То есть имел дело не с чем иным, как с прототипом полупроводникового прибора, названного впоследствии светодиодом. Весь мир заговорил об «эффекте Лосева», на практическое применение которого изобретатель успел получить (до своей гибели на войне в 1942 г.) четыре патента.

С 1951 года центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева», переместился в Америку, где его возглавил К. Леховец (США). В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли.

Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на р-п-переходе. Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных полупроводников: соединений галлия (Ga), арсеникума (мышьяка — As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al), других элементов периодической системы Менделеева.

Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твердых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники — оптоэлектроники.

Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы в 60-е годы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США) c красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм — области наивысшей чувствительности человеческого глаза, — поэтому яркость их желто-зеленого излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1-2 лм/Вт.

Термины, используемые для характеристики светодиодов

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для «хороших» кристаллов с мощным тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Светоотдача — количество излучаемых люменов на единицу потребляемой мощности люмен/ватт (лм/Вт). Этот параметр показывает, сколько энергии, поступающей на светодиод превращается в свет, а сколько в тепло. Чем выше этот параметр, тем лучше.

Световой поток — величина, характеризующая количество излучаемого (поглощаемого или отраженного) света. Световой поток представляет собой мощность излучения, оцененную с позиции его воздействия на зрительный аппарат человека. Единица светового потока — люмен (лм).

Как устроен и работает светодиод?

Прежде всего, светодиод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n-переходом или контактом «металл — полупроводник», генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое) излучение. Напомним, что p-n-переход — это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов — «n-тип», второй с избытком дырок — «p-тип»). Если к p-n-переходу приложить «прямое смещение», то есть подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Нас интересует то, что происходит после того, как через прямо смещенный p-n-переход пошел ток, а именно момент рекомбинации (соединение) носителей электрического заряда — электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света — фотона.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

 Скачать реферат