Зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при помощи смещения U.

Если в образце создан p-n-переход, т.е. граница между областями с дырочной (p-) и электронной (n-) проводимостью, то в отсутствие напряжения смещения (U=0) уровень Ферми одинаков во всём переходе (Е_Фn=Е_Фp). При положительной полярности внешнего источника тока на контакте к p-области (и отрицательной – на контакте к n-области) уровни Ферми смещаются на величину eU=Е_Фn-Е_Фp, потенциальный барьер в p-n-переходе понижается и электроны из n-области инжектируют в p-область, а дырки – из p-области в n-область.
Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою потенциальную энергию либо квантам света hν (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси – тепловым колебаниям решётки (безызлучательная рекомбинация):

Рисунок 4.2 – Зонная диаграмма уровней энергии электронов обычного (гомогенного) p-n-перехода при прямом смещении U

Излучение обусловлено рекомбинацией избыточных носителей и сосредоточено, в основном, в p-n-переходе.
Высвобождающаяся при излучательной рекомбинации энергия Е_з приводит к рождению фотона. Длина волны, соответствующая этому фотону, определяется соотношением

где c – скорость света, h – постоянная Планка, Е_з[эВ]=Е_п-Е_в – ширина запрещённой зоны.
Для обеспечения генерации излучения в требуемом спектральном диапазоне длин волн необходимо подбирать материалы с соответствующей шириной запрещённой зоны Е_з. Т.к. основа - межзонная излучательная рекомбинация, то необходимая ширина запрещённой зоны полупроводников, взятая из энергии фотонов видимого диапазона должна быть 1,8эВ ≤ (Е_з=hν) ≤ 3,2 эВ.
4.3 Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при прямом смещении U.

Интенсивность излучения связана с величинами концентраций носителей в p-n-переходе и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счёт увеличения тока, протекающего через переход - тока инжекции (I_И). Т.е., энергия внешнего источника, преобразуется в энергию излучаемых фотонов.

Для оптимизации процесса генерации в источниках, при изготовлении переходов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы много выше, чем в другом. Типичные значения величин:

т.е., разница в величинах N_n и N_p велика. Значит, можно считать, что ток инжекции в основном обусловлен инжекцией электронов в полупроводник p-типа.

Кроме p-n-переходов (гомопереходов), бывают и гетеропереходы. Гетеропереходы - переходы между полупроводниками из разных материалов с различной шириной запрещённых зон, но имеющие согласованные кристаллические решётки.
В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины (d << L_p) из-за изготовления этого слоя малой толщины порядка 100…10 атомных слоёв.
Для получения гетеропереходов с достаточно хорошими характеристиками, нужно кристаллическую решётку одного полупроводника с минимальным количеством нарушений переводить в кристаллическую решётку другого полупроводника, для чего требуются близкие параметры полупроводников, образующих гетеропереход.
В гетеропереходах полупроводники могут быть p или n-типа. Т.е., возможны 4 комбинации. Используя для широкозонного материала обозначения N или P, а для узкозонного – n или p, возможны следующие переходы с различными свойствами: n – N, p – P, n – P и p – N.
Энергетическая диаграмма гетероструктуры, в которой между внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины запрещённой зоны E₃₁ и E₃₃ расположен тонкий слой с малой E₃₃:

Рисунок 4.3 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов двойной гетероструктуры при прямом смещении U

Помимо потенциального барьера обычного p-n-перехода на гетерограницах слоя образуются барьеры для электронов ΔE_П и дырок ΔE_В. Если приложить к переходу прямое напряжение смещения, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой.

Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое d, дырки устремятся к потолку валентной зоны в слое d, где минимальны их энергии.

Гетероструктуры по сравнению с обычными p-n-переходами (гомопереходами) обладают двумя важными отличительными особенностями:
1)Односторонняя инжекция. Скачки потенциалов на границах представляют собой потенциальные барьеры для неосновных носителей, что приводит к локализации зарядов.
2)Резкое различие оптических свойств различных областей кристалла. Проявляется в том, что длина волны излучения, генерируемого в узкозонной базе, лежит ниже «красной границы» поглощения эмиттерной области. В связи с этим говорят об эмиттере как о широкозонном «окне», через которое излучение выводится из структуры практически без поглощения.