Componentes Electrónicos Avanzados Semiconductores y LEDs / noviembre de 2009

Transcripción

1 Componentes Electrónicos Avanzados Semiconductores y LEDs / noviembre de ) En este ejercicio pretendemos estudiar la saturación de la recombinación vía centros profundos que, en ocasiones, da lugar a diferentes rangos de corriente en las curvas P-I de los LED. Consideramos un semiconductor tipo p, con una concentración de centros profundos. a) [0.5p] Representa en cinco viñetas (1.- estado inicial más probable, 2.- primer paso, 3.- estado intermedio, 4.- segundo paso y 5.- estado final) en el diagrama E(x) (energía frente a posición) la recombinación vía centro profundo en un semiconductor tipo p. Suponemos que: el semiconductor es de tipo p, con concentración de mayoritarios p 0. la concentración de centros profundos es N T La recombinación vía centro profundo es no radiativa. el semiconductor está sometido a una generación externa de R pares electrón-hueco por unidad de volumen y unidad de tiempo, con R constante, y hay condiciones estacionarias b) [0.5p] Deduce una expresión para el tiempo de recombinación vía centro profundo T0 para el caso (visto en teoría) en el que los centros profundos no se saturan Consideramos ahora además el hecho de que no todos los centros profundos estarán disponibles para capturar un minoritario, de modo que la relación entre R y el exceso de portadores n será: donde es la concentración de centros profundos que no pueden capturar un minoritario, por el hecho de estar pendientes de capturar un mayoritario (viñeta 3.- de a)). Y suponemos que: siendo sat una constante, con sat << T0. c) [0.5 p] Deduce una expresión para el tiempo de recombinación vía centro profundo T en función de T0 y n, demostrando que se puede escribir de la forma y expresa n sat en función de los parámetros conocidos (por ejemplo: N T, T0, sat, p 0 ). Vamos a estudiar ahora la dependencia de la eficiencia de recomb. radiativa η rad con n, representada en la gráfica 1 (log-log). Suponemos que el tiempo de recomb. radiativa es rad >> T0 y no depende de n. d) [0.5p] Partiendo de la definición de η rad, deduce la expresión de η rad en función de rad y T (= no rad ). e) [0.5p] Despreciando lo despreciable: (i) da el valor de η rad para n<< n sat, (que denominamos η rad0 ), (ii) calcula cuánto debe valer n para conseguir tener η rad =50% y (iii) indica qué debe cumplirse para que esto pueda ocurrir en baja inyección. f) [0.5p] Demuestra que para n sat << n<< n sat /η rad0, se tiene (aprox.) η rad n y calcula dη rad /d n. 1

2 2) [2p] Deduce el valor de I v (0º) / v para un LED con emisión lambertiana 3) Sea el proceso de recombinación radiativa banda a banda en un semiconductor indirecto: a) [1p] Consideramos la emisión de un fotón con absorción de un fonón: (i) Represéntalo en el diagrama E(k), (i) escribe las ecuaciones de conservación de energía y momento y (iii) reescríbelas de forma aproximada despreciando lo despreciable e indicando, cuando proceda, parecido pero un poco menor o parecido pero un poco mayor. b) [1p] Explica la aparente paradoja de que en este semiconductor la emisión de luz vaya a ser poco probable, por ser éste un proceso prohibido, y sin embargo, sí absorberá la luz (también para hv<e g,dir ), aunque también éste sea un proceso prohibido. 4) [3p] Responde a las preguntas argumentando brevemente tus respuestas 1. Un viejo tipo de LEDs de GaP:ZnO emite en 700 nm (el par ZnO se comporta como impureza isoelectrónica). Haz una estimación de su tensión de disparo V. Indica las operaciones. 2. Cuál tendrá mayor tensión de disparo V : (a) un LED de AlGaAs de heterounión simple con emisión en 880 nm o (b) un LED de AlGaAs de doble heterounión con emisión en 880 nm?. 3. Cuál tendrá previsiblemente mayor ext (a) un LED de AlGaInP rojo o (b) un LED verdeamarillento convencional?. 4. Sean dos LEDs ambos con idéntico chip y con emisión lambertiana pero uno de ellos (a) encapsulado y el otro (b) sin encapsular. Cuál tendrá mayor eficiencia cuántica externa? 5. Cuál tendrá una mayor frecuencia de corte (a) un IRED con emisión en 950 nm y V =1.1V o (b) un IRED con emisión en 880 nm y V =1.4 V? 6. Cuál tendrá previsiblemente mayor flujo luminoso v para corrientes de inyección similares (a) un LED de AlGaAs de DH con emisión en 800 nm o (b) un LED verde-amarillento convencional? 7. Cuál emitirá un mayor flujo luminoso (para la misma corriente I F ) (a) un LED rojo o (b) un LED verde, si la responsividad fuera igual para los dos? 8. Cuál tendrá mejor calidad estructural (a) un IRED de AlGaAs o (b) un LED azul? Semic. InSb InAs GaSb InP GaAs AlSb AlAs GaP AlP GaN E g(ev) a (nm)

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