2. Принцип действия и конструкция светоизлучающих диодов.

Полупроводниковый светодиод (СИД) - это излучающий полупроводниковый прибор с одним или несколькими переходами, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения при прохождении через него прямого тока.

Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации:

- межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона - зона);

-рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках.

Принцип работы светодиодов заключается в следующем.

При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов в р-области больше, чем концентрация дырок в n -области, т. е. n_n > р_р, то происходит инжекция электронов из n-области в p-область. Инжектированные электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, в данном случае с дырками p-области. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны, при этом выделяется фотон, с энергией равной ширине запрещенной зоны, т. е.

где - энергия кванта излучения;

- ширина запрещенной зоны.

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах), необходимую для излучения с той или иной длиной волны  (в микрометрах);



Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь > 1,7 эВ.

Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как имеют слишком узкую запрещенную зону.

Для современных светодиодов видимого свечения применяют главным образом фосфид галлия GаР и карбид кремния SiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GаАlАs) или галлия, мышьяка и фосфора (GаАsР) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного (ИК) излучения, изготавливаемые преимущественно из арсенида галлия GаАs. ИК-светодиоды применяются в фотореле, различных датчиках и входят в состав некоторых оптронов.

Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами, один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой - в зеленой. Цвет свечения такого диода зависит от соотношения токов через переходы.

По конструкции светодиоды подразделяются на:

- планарные (рис.4.а);

- с полусферической базой (рис.4.б);

-

Рис.4. Конструкция СИД

плоскостные с полусферическим покрытием (рис.4.в)

Светодиоды конструируют таким образом, чтобы наружу выходил возможно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл-воздух.

Конструктивно светодиоды выполняются в металлических корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение, или в прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются также бескорпусные диоды. Масса диода составляет сотые доли грамма и более.

Светодиоды могут являться основой более сложных приборов. В частности, линейная светодиодная шкала представляет собой интегральную микросхему, состоящую из последовательно размещенных светодиодных структур (сегментов), число которых может быть от 5 до 100. Такие линейные шкалы могут заменять щитовые измерительные приборы и служат для отображения непрерывно изменяющейся информации.

Цифробуквенный светодиодный индикатор также сделан в виде интегральной микросхемы из нескольких светодиодных структур (сегментов), расположенных так, чтобы при соответствующих комбинациях светящихся сегментов получалось изображение цифры или буквы. Одноразрядные индикаторы позволяют воспроизвести одну цифру от 0 до 9 или некоторые буквы. Многоразрядные индикаторы воспроизводят одновременно несколько знаков. У большинства индикаторов сегменты имеют вид полосок (обычно 7 для каждого разряда). Выпускаются также матричные индикаторы, имеющие 35 точечных светодиодных элементов, из которых синтезируются любые знаки.