Управляемые источника света. Светодиоды

Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД, светодиод) – это прибор с одним или несколькими электрическими p-n-переходами, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения.

В полупроводнике (рис. 2.6, а) непрерывно происходят процессы тепловой генерации (переход I) и рекомбинации (переход II) свободных носителей заряда. Процесс рекомбинация может быть фононным или фотонным.

В ″обычных″ диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла без светового излучения (фононная рекомбинация). Название процесса (″фотонная″) связана с тем, что появляются частицы, называемые ″фононы″, характеризующие степень нагрева кристалла.

При фотонной рекомбинации за счет выделения энергии появляются, главным образом, оптические частицы – фотоны.

Другими словами, в светоизлучающих диодах световое излучение возникает за счет преобразования электрической энергии (источника) в электромагнитную (световую, инфракрасную) энергию за счет фотонной рекомбинации основных электронов и дырок, переходящих через p-n-переход при прямом смещении (рис. 3.1, а). В результате выделяются электромагнитные волны (свет), характеризуемые частотой n (длиной l).

В соответствии с частотным диапазоном генерируемого излучения различаются: инфракрасные излучающие диоды и светоизлучающие диоды(светодиоды), лазеры.

В лазерах (см. рекомендованную литературу) обычно излучение имеет относительно точное значение частоты n (длины волны l), например, l =555 нм (зеленый цвет). В отличие от лазеров, в том числе, лазерных диодов, излучение светодиодов характеризуется достаточно широкой полосой частот Dn в области некоторой частоты n₀.

Человеческий глаз воспринимает излучение светодиодов как ″одноцветное″ (красное, синее и т.п.), однако, в реальности в спектре излучения светодиода, например, синего, могут присутствовать и другие, более длинноволновые цвета.

Принцип действия светодиодов основан на том, что на границе р-n-перехода образуется энергетический барьер (рис. 3.1), величина которого при возрастании степени легирования приближается к величине ширины запрещенной зоны DE_з (эВ) материала полупроводника [1].

Рассмотрим принцип работы светодиодов. При включении светодиода в прямом направлении (рис. 3.11, а; рис. 3.1, а) через р-n-переход проходит большой ток. Этот ток обусловлен тем, что свободные носители заряда (основные электроны и дырки) инжектируются (переходят) через p-n-переход. Например (рис. 3.1, а), дырки из p⁺-области, пройдя через переход, попадают в n⁺-область и непосредственно вблизи границы l_n перехода начинают рекомбинировать с основными носителями – электронами в n-области. Аналогично следует сказать и об электронах, инжектированных из n-области в p-область. Скорость рекомбинации носителей вблизи границ переходов (l_n и l_p) возрастает по мере увеличения прямого тока.

а) б) в) г)

Рис. 3.11. Схема измерения (а), ВАХ светодиодов (б, в) и мощности излучения (г)

В отличие от ″обычного″ диода, в котором энергия W ≈ DE_з, выделяемая при рекомбинации, расходуется на нагрев прибора, в светодиоде энергия DE_з переходит в энергию оптического излучения:

W ≈ DE_з = E_ф = hn_ф, (3.9)

где n_ф - частота, связанная с длиной l_ф волны и скоростью света с;
h- постоянная Планка; h = 6,63·10^–34 Дж/с.

Как отмечено выше, частота n_ф (длина l_ф) волны излучения, энергия квантов E_ф связаны с энергией, которая выделяется при рекомбинации (рис. 2.6, а) - с шириной запрещенной зоны DE_з.

Поэтому возникает излучение той или иной длины (частоты) волны, зависящей от энергии, выделяющейся при межзонной рекомбинации, например:

DE_з = hn_ф = hc/l_ф. (3.10)

Поскольку частота излучения n_ф, в первую очередь, связана со значением DE_з, то для изменения спектра излучения СИД нужно выбирать соответствующий полупроводниковый материал, из которого будет изготовлен светодиод. При этом следует учитывать, что чем больше частота изучения, тем больше значение DE_з, и, значит, тем больше значение U_{пр пред}, определяемое по прямой ветви ВАХ (рис. 3.11, в). При сравнении светодиодов, имеющих различные спектры излучения, можно видеть, что по мере возрастания частоты излучения (n₁ > n₂ > n₃) прямое напряжение на диоде возрастает.

Электрические и оптические свойства светодиодов взаимосвязаны. В частности, при сильном легировании областей p- и n-типа, прилегающих к p-n-переходу, контактная разность потенциалов Dj_к → DE_з/e ([Dj_к ] ≡ В; е – заряд электрона, е – 1,6·10^–19 Кл). С другой стороны, при приближении прямого напряжения смещения U → Dj_к ток через прибор интенсивно возрастает. Именно, поэтому в пределе напряжение U_{пр пред} (рис. 3.11, б, кривая 1) сравнимо со значением

U_{пр пред} ≈ Dj_к ≈ DE_з/e. (3.11)

Таким образом, анализ вольтамперной характеристики светодиода, в частности, величины предельного напряжения U_{пр пред}, позволяет с достаточной степенью точности оценить значение длины волны излучения:

l_ф = hc/ DE_з = hc/еU_{пр пред}. (3.12)

Заметим, что значение l_ф, определяемое по соотношению (3.12) характеризует наиболее короткие длины волн, присутствующие в спектре, наряду с которыми имеются и более длинные волны. Этот факт можно проверить, используя для анализа излучения оптическую призму.

Вольтамперная и люкс-амперная характеристики излучения реального светодиода от прямого тока приведены на рис. 3.11, б, кривая 2; рис. 3.12, г, кривая 1.

В отличие от идеального p-n-перехода, вольтамперная характеристика которого описывается экспоненциальной зависимостью (рис.3.1, б, кривая 1; рис. 3.3, г, кривая 2), ВАХ реального светодиода (рис. 3.11, б, кривая 2; рис. 3.12, г, кривая 1) представляется функцией, которая в области больших напряжений и токов представляется линейной зависимостью, наклон которой зависит от особенностей структуры прибора (рис. 3.12, а), в том числе, сопротивления R_pn собственно p-n-перехода и сопротивлений R_p и R_n прилегающих слоев (рис. 3.12, б).

Именно падение напряжения на резисторах R_p и R_n характеризует линейность ВАХ в области больших напряжений (рис. 3.11, б, в; 3.12, г); в частности, наклон линии 2 - касательной к ВАХ реального светодиода (рис. 3.12, г), определяет суммарное сопротивление R = R_p + R_n:

R = R_p + R_n = DU/DI. (3.13)

Для определения значения U_{пр пред} следует придерживаться следующего алгоритма. Определив экспериментальную ВАХ светодиода (рис. 3.12, г, кривая 1), необходимо провести к ней прямую касательную линию 2 в области больших напряжений (линейный участок). Параллельным переносом данную прямую линию можно перенести в начало координат, так что данная прямая линия (2^*) характеризует ВАХ суммарного сопротивления R, определяемого по соотношению (3.13).

а) б) в) г)

Рис. 3.12. Вид (а), структура (б) светодиода, схема замещения (в), анализ ВАХ (г)

Вольтамперную характеристику идеализированной структуры p-n-перехода (рис. 3.12, г, кривая 3) следует построить путем вычитания значения абсциссы линии 2^* от абсциссы кривой 1 (при фиксированном токе I), как показано на рис. 3.12, б. Построение кривой 3 дает возможность определить экспериментальное значение U_{пр пред}, и путем дальнейшего расчета величины DЕ_з по (3.10), l по (3.12) и т.п.

Заметим, что увеличение прямого тока отдельного светодиода приводит лишь к возрастанию его яркости свечения (увеличению светового потока), но не меняет частоту излучения n_ф, т.е. цвет излучения остается постоянным, но визуально диод светит ″ярче″ - возрастает яркость излучения Е, лк. Отметим, что параметр яркость пропорционален мощности излучения, связанной, в свою очередь, с прямым током прибора.

Строение светодиодов

В зависимости от назначения излучающие диоды разделяются на полупроводниковые генераторы излучения ПГИ(излучатели) и полупроводниковые индикаторы ПИ.

ПГИ спонтанного и стимулированного излучения предназначены для использования в волоконно-оптических линиях передачи информации в составе оптоэлектронных пар. Мощность ПГИ спонтанного излучения непрерывного действия в ИК-диапазоне изменяется от 0,1 мВт до 500 мВт в зависимости от тока (в мощных ПГИ ток достигает 3 А).

В излучающих диодах, как правило, используются как гомопереходы (материалы одного типа), так гетеропереходы на основе различных соединений арсенида галлия, например, типа: область р-(Al_xGa_1-x As) и область n⁺ –(GaAs).

В светодиодах типа АЛС331 предусмотрена возможность ″изменения″ цвета свечения, воспринимаемого человеческим глазом. Принцип изменения цвета представлен на рис. 3.13. Конструкция предусматривает в одном корпусе два излучающих p-n-перехода, каждый из которых излучает в диапазоне длин волн, обычно в области красного (l_кр ≈ 650 нм) и зеленого (l_зел ≈ 555 нм) цветов. Соотношение их яркостей (интенсивностей) регулируется путем изменения величины прямых токов через переходы. В данном случае, меняя силу тока I_пр через каждый p-n-переход, и, соответственно, регулируя интенсивность светового потока от каждого из переходов, можно в некоторых пределах изменять (²смешивать²) цветовую гамму общего светового потока. Однако подчеркнем, что этот процесс не связан с реальным изменением длины волны излучения, но обусловлен визуальным восприятием света человеческим глазом. Другими словами, при изменении тока, протекающего через два параллельных светодиода, происходит лишь визуальное (эмоциональное) изменение цветовой гаммы.