Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-пе-рехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Характеристики светодиодов

Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная.

На рис.8.3 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают преимущественно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения.

Рис.8.3

Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 8.3).

В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.

Рис.8.4

Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носителей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше.

Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики. Длина волны излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации и в полупроводниках приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Поэтому , где h- постоянная Планка. Для светодиодов изготовленных из арсенида галлия =0,9…1,4 мкм (инфракрасное излучение) из фосфида галлия =0,7мкм (красное излучение), а из карбида кремния =0,55мкм (желтое излучение).

На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм.