2.2.9. Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий полупроводниковый прибор – это прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической (или световой) энергии в энергию светового излучения.

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.

Как отмечено выше, 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 рекомбинации электронов и дырок. Другими словами, в СИД преобладает фотонная рекомбинация. Такое излучение характеризуется узкой полосой частот в области определенной частоты ₀.

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.

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

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

В светодиодах, характеризуемых высокой степенью легирования p- и n-слоев, при прямом смещении интенсивная рекомбинация инжектированных носителей с основными носителями вблизи границ перехода сопровождается появлением фотонов с определенной частотой излучения ₀.

На рис. 2.17 показано условное графическое изображение светодиода и схема его включения, а также соотношение ВАХ различных СИД, излучающих в диапазоне инфракрасного ИК (кривая 1) и синего светов (кривая 2).

а) б)

Рис. 2.17. Схема включения (а) и вольтамперные характеристики (б) различных СИД

Частота _ф (длина _ф) волны излучения, энергия квантов E_ф связаны с энергией, которая выделяется при рекомбинации  с шириной запрещенной зоны E_з.

Учтем, что для СИД используются сильнолегированные полупроводниковые структуры, в отношении которых можно сказать следующее:

 из соотношения (2.4) следует, что _0пр - высота потенциального барьера на границе p-n-перехода стремится к значению E_з/е;

 предельное прямое падение напряжения U_a на прямо смещенном переходе, близко к значению _0пр.

С учетом этой взаимосвязи можно полагать, для светоизлучающих диодов, имеющих большую степень легирования, выполняется:

E_з ≈ h₀ =hc/₀ (2.16)

_0пр ≈ U_а ≈ E_з/е, (2.17)

где h –постоянная Планка, h = 6,62610^34 Джс; ₀- частота излучения, с^1, ₀ длина волны; с – скорость света; е – заряд электрона.

Поскольку частота излучения ₀, в первую очередь, связана со значением E_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 E_з, и тем больше значение U_а, определяемое по прямой ветви ВАХ (рис. 2.17, б).

Заметим, что увеличение прямого тока светодиода приводит лишь к возрастанию его яркости свечения (увеличению светового потока), но не меняет частоту излучения ₀, т.е. цвет излучения остается постоянным

Конструкция некоторых светодиодов предусматривает в одном корпусе два излучающих p-n-перехода, каждый из которых излучает в относительно узком диапазоне длин волн, обычно в области красного (_кр ≈ 700 нм) и зеленого (_зел ≈ 555 нм) цветов. В данном случае, меняя силу тока через каждый p-n-переход, и, соответственно, регулируя интенсивность светового потока от каждого из переходов, возможно в некоторых пределах изменять (смешивать) цветовую гамму общего светового потока. Однако подчеркнем, что этот процесс не связан с изменением длины волны излучения, но обусловлен визуальным восприятием света человеческим глазом.

Для изготовления распространенных светодиодов используют фосфид галлия (GaP, красный) или арсенид галлия (GaAs, инфракрасный), соединение InGaN (сине-зеленая часть спектра). Из отдельных светодиодов собирают индикаторы в виде блоков и матриц, которые позволяют высвечивать изображения букв и цифр.

Инжекционный лазер – это светоизлучающий прибор, аналогичный светодиоду, создаваемые специальной технологии. При инжекции носителей заряда через прямо смещенный переход при определенном токе в результате стимулированной фотонной рекомбинации возникает когерентное монохроматическое (  0) излучение.