Светоизлучающий диод

Светоизлучающий диод (LED – Light-emitting diode) – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию, в энергию оптического излучения. Излучение вызвано рекомбинацией (возвращением электронов из зоны проводимости в валентную зону) носителей заряда при прохождении тока в прямом направлении через выпрямляющий электрический переход.

Область структуры светодиода в которой происходит рекомбинация электронов и дырок называется активной.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра электромагнитных волн.

Длина волны излучения светодиода зависит от химического состава использованного в активной области полупроводника.

Красные и желтые светодиоды изготавливаются из твердых растворов соединений элементов AlGaInP или AlGaAs, а зеленые и синие из более широкозонного материала InGaN. Для того чтобы кванты энергии (фотоны), освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть достаточно большой (ΔЕ>1,7эВ), при меньшей ширине запрещенной зоны исходного полупроводника кванты энергии, освобождающиеся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения.

Активная область ограничена слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, которые обеспечивают локализацию носителей в узкозонной области, что приводит к увеличению вероятности рекомбинации носителей заряда.

Отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называется внутренним квантовым выходом. Если бы рекомбинация неравновесных электронов и дырок, в активной области происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации не заканчивается выделением энергии в виде фотонов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями называют безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными переходами зависит от ряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, наличия примесей, которые могут увеличить или уменьшить вероятность излучательных переходов.

Рис. 3. Зависимость длины волны желтого светодиода от температуры активной области.

Увеличение длины волны с повышением температуры активной области светодиода вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника, при этом, из-за увеличения влияния колебаний кристаллической решетки уменьшается внутренний квантовый выход.

Рис. 4. Зависимость яркости желтого светодиода от температуры активной области.

Яркость светодиода с увеличением температуры падает.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. У материалов с меньшей шириной запрещенной зоны температурная зависимость длины волны и яркости сильнее. Она больше у красных и желтых, и меньше у зеленых, синих и белых. Поэтому для надежной и стабильной работы светодиодов важен хороший теплоотвод.

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход значительно меньше. Образовавшиеся фотоны могут поглотиться полупроводником до выхода в окружающее пространство. Существенными могут оказаться потери при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом, превышающим критический угол полного внутреннего отражения:

(1)

где - абсолютный показатель преломления среды, окружающей полупроводник, - абсолютный показатель преломления полупроводника.

Для многих полупроводников , поэтому если полупроводник имеет плоскую форму, то только незначительная часть фотонов покинет полупроводник. Наиболее простым решением является формирование на поверхности кристалла сферического покрытия из пластического материала с высоким показателем преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения.

Допустим, что при каждом акте рекомбинации электрона и дырки получается один квант света, энергия которого определяется:

(2)

При увеличении от нуля прямого напряжения, подаваемого на светодиод, ток медленно нарастает. Когда напряжение достигает значения , сила тока резко возрастает и светодиод начинает излучать свет. Внешнее электрическое поле для перевода электрона через p – n - переход совершает работу:

(3)

где - заряд электрона, - величина внешнего поля, при котором светодиод начинает светиться.

Рис.5 Вольт-амперная характеристика светодиода

В этом случае:

(4)

Из формулы(4) можно определить постоянную Планка:

(5)