Управляемые источника света. Светодиоды

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

“ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТО- и фотоДИОДОВ"

Цель работы: исследование электрических свойств p-n-переходов и свойств реальных диодов - светодиодов; определение параметров светодиодов: вольт-амперных характеристик (ВАХ), дифференциального сопротивления и другие.

Приборы и принадлежности: источники питания, полупроводниковые светодиоды типа 3Л331, АЛС331А и другие, измерительные приборы.

Теоретические сведения

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.

Наряду с тепловой генерацией носителей заряда в полупроводнике постоянно происходит и их рекомбинация (фононная или фотонная).

В светоизлучающих диодах световое излучение возникает за счет преобразования электрической энергии (источника) в электромагнитную (световую, инфракрасную) за счет фотонной рекомбинации основных электронов и дырок, переходящих через p-n-переход при прямом смещении. Такое излучение характеризуется узкой полосой частот Dn в области определенной частоты n₀.

В соответствии с частотным диапазоном генерируемого излучения различаются: инфракрасные излучающие диоды и светоизлучающие диоды(светодиоды). В отличие от лазеров, в том числе, лазерных диодов, излучение светодиодов некогерентно. 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.

Рассмотрим принцип работы светодиодов. При включении светодиода в прямом направлении через p-n-переход инжектируются основные носители: электроны и дырки. Например, дырки из p⁺-области, пройдя через переход, попадают в n⁺-область и непосредственно вблизи границы перехода начинают рекомбинировать с основными носителями – электронами. Аналогично следует сказать и об электронах, инжектированных из n-области в p-область.

а) б) в) г)

Рис. 3.9. Схема измерения (а), ВАХ светодиодов (б, в) и мощности излучения (г)

Интенсивная рекомбинации носителей вблизи границ переходов (l_n и l_p) возрастает по мере увеличения прямого тока.

Принцип действия светодиодов основан на том, что на границе р-n-перехода образуется энергетический барьер, величина которого при возрастании степени легирования приближается к величине ширины запрещенной зоны DE_з (эВ) материала полупроводника [2, глава 6]. При прямом смещении инжектированные носители (основные электроны и дырки) интенсивно рекомбинируют на соответствующих границах перехода.

В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла без светового излучения (фононная рекомбинация).

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 излучении. Частота n_ф (длина l_ф) волны излучения, энергия квантов E_ф связаны с энергией, которая выделяется при рекомбинации - 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 , (1)

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

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 тем больше значение U_{пр пред}, определяемое по прямой ветви ВАХ (рис. 3.9, б). При сравнении светодиодов, имеющих различные спектры излучения, можно видеть, что по мере возрастания частоты излучения (n₁ > n₂ > n₃) прямое напряжение на диоде возрастает (рис. 3.9, б).

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. 3.9, а, кривая 1) сравнимо со значением

U_{пр пред} ≈ Dj_к ≈ DE_з/e. (2)

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)

Заметим, что значение l_ф, определяемое по соотношению (3) 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 характеристика и зависимость мощности излучения реального светодиода от прямого тока приведены на рис 3.9.

В отличие от идеального p-n-перехода, вольтамперная характеристика которого описывается экспоненциальной зависимостью (рис. 3.9, а, кривая 1), ВАХ реального светодиода (рис. 3.9, б, кривая 2; рис. 3.10, в, кривая 1) представляется нелинейной зависимость, которая в области больших напряжений и токов представляется линейной зависимостью, наклон которой зависит от особенностей структуры прибора (рис. 3.10, а), в том числе, сопротивления R_pn собственно p-n-перехода и сопротивлений R_p и R_n прилегающих слоев (рис. 3.10, б).

Именно падение напряжения на резисторах R_p и R_n характеризует линейность ВАХ в области больших напряжений (рис. 3.9; 3.10, в); в частности, наклон линии 2 - касательной к ВАХ (1) реального светодиода (рис. 3.10, в), определяет суммарное сопротивление R = R_p + R_n:

R = R_p + R_n = DU/DI . (4)

а) б) в) г)

Рис. 3.10. Вид (а), структура (б) светодиода, схема замещения (в), анализ ВАХ (г)

Для определения значения U_{пр пред} следует придерживаться следующего алгоритма. Определив экспериментальную ВАХ светодиода (рис. 3.10, в, 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 (4).

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