Вопрос 11 – Светоизлучающий диод, принцип действия, характеристики.
Светодиоды— полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- р-п-переход.
Светоизлучающим диодом(СИД) называют полупроводниковый диод, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок.
В структурах СИД преобладает излучательная или фотоннаярекомбинация.
Как правило, светодиоды работают в спектральном диапазоне 0,4 - 1,6 мкм Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами— СИД (в этом названии слово «свет» употребляется в узком смысле). В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности.
Светодиоды работают при пропускании через них тока в прямом направлении. Вспециальных случаях для генерации коротких световых импульсов за счет предпробойной люминесценции используют обратное включение светодиодов. Их эффективность при этом мала. За счет инжекции электронов в р-область, а дырок в п-область вблизи р-п-перехода создается неравновесное распределение носителей заряда, как это показано на рис. 2.7. В светодиоде важно обеспечить такие условия, чтобы рекомбинация инжектированных неосновных носителей заряда происходила излучательным путем. Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к р-п-переходу, определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материал и уровнем его легирования. Как нетрудно убедиться из рис. 2.7 eU » Eg типичные значения Uраб = 1 - 4 В.
Эффективность светодиода
Эффективность светодиода h представляет собой его КПД и связана с внешним квантовым выходом элект-ролюминесценции hе соотношением
(3.1)
где — энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, Uраб — приложенное внешнее напряжение.
Рассмотрим сначала светодиод в виде прямоугольного параллелепипеда с плоским р-п-переходом, как показано на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Схематическое изображение плоского светодиода
Спонтанное излучение генерируется в активной области вблизи р-п-перехода и испускается изотропно во все направления. Значение внешнего квантового выхода hе будет определяться внутренним квантовым выходом люминесценции hi, коэффициентом инжекции hI и оптической эффективностью вывода света ho:
hе =hihIho. (3.2)
Проанализируем вклад в общую эффективность каждого из входящих в (3.2) сомножителей.
1. Внутренний квантовый выходлюминесценции hi определяется соотношением вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации и зависит от особенностей зонной структуры полупроводника, типа легирующих примесей и их концентрации, а также от степени совершенства материала.
2. Коэффициент инжекции hI. Как правило, излучательная рекомбинация преобладает в одной из областей (р или п), прилегающих к р-п-переходу. Поэтому р-п-переход в светодиоде должен обеспечить преимущественную инжекцию неосновных носителей заряда в ту область, где hi максимален.
3. Коэффициент вывода света hо. Он определяется процессами распространения света в активном материале, его отражением и поглощением на границах раздела, в том числе процессами полного внутреннего отражения. Величина hо представляет собой оптическую эффективность вывода наружу излучения, генерируемого в активной области светодиода. Для оцен