5.1. Физические основы твердотельных источников света

Как всякий полупроводниковый диод, светодиод обладает падающей вольт-амперной характеристикой, обусловленной тем, что проводимость полупроводниковых материалов растет с увеличением температуры. Поэтому при токопрохождении возможно лавинное нарастание тока вплоть д о разрушения активной области. Для исключения такого явления в цепь питания светодиода включают специально подобранный балластный резистор R_б (рис 5.1.).

Обеспечение высокого кпд свтодиодов

КПД определяется эффективностью преобразования энергии электрического тока в энергию излучения:

η = P_изл/P₀;

η = η_эл η_инж η_ген η_изл,

где η_эл – какая часть подводимой мощности P₀ = U₀ I₀ выделяется в активной области светодиода;

η_инж – какая часть тока обеспечивается инжекцией носителей заряда;

η_ген – какая часть энергии инжектированных носителей переходит в генерацию фотонов;

η_изл – какая часть сгенерированных фотонов излучается в пространство P_изл.

Электрический КПД η_эл = P_v/P₀ ,

P_v = VI₀,

V = (U₀ – I₀ R_б) – напряжение на диоде. Вольт-амперная характеристика диода описывается уравнением Шокли:

, (5.1)

где e – заряд электрона, S – площадь, D_p,n и τ_p,n – коэффициент диффузии и времена жизни дырок и электронов соответственно, N_A и N_D – концентрация акцепторов и доноров, k – постоянная Больцмана, T – температура, V– величина прикладываемого напряжения, E_g – ширина запрещенной зоны.

Как видно из уравнения, при V = 0 ток, проходящий через светодиод, отсутствует. Ток начинает интенсивно возрастать с появлением рекомбинации носителей, когда V > E_g, которая в светодиоде сопровождается появлением квантов излучения, т.е. при eV = hν_изл.

Кроме того, при низких частотах (в ИК области) рост может начаться раньше за счет тепловой энергии электронов. Одновременно в существующих светодиодах синего и Уф диапазонов наблюдается снижение крутизны нарастания тока из-за большого удельного сопротивления базовой области (рис. 5.2).

Повышение электрического КПД обеспечивается выбором оптимального значения балластного резистора и уменьшением сопротивления базовой области , о чем будет сказано позже (растекание тока, уменьшение толщины барьерных областей, продольное расположение активной области).

Инжекционный кпд ηинж

Не весь электронный ток сопровождается рекомбинацией электронов с дырками в области p-n перехода. Часть электронов и дырок проходят за счет диффузии, создавая ток неосновных носителей соответственно электронов в р-области и дырок в n – области. Возможны и другие виды проводимости. Это можно рассматривать как появление параллельного сопротивления.

Для снижения такой проводимости во всех современных светодиодах применяют двойную гетероструктуру (рис. 5.3). E_c – дно зоны проводимости, E_v – потолок валентной зоны, F_p и соответственно F_n – уровни Ферми в акцепторной и в донорной областях. В активной области появляются потенциальные пороги, препятствующие переходу неосновных носителей в барьерные слои. И все же при повышении температуры часть электронов и дырок будут переходить. Чтобы уменьшить этот переход, необходимо всеми возможными мерами снижать температуру светодиода. Кроме того, иногда в области р-слоя на границе с активной областью формируется дополнительный (ограничивающий) слой с повышенной шириной запрещенной зоны (на рисунке обозначен пунктиром). Он снижает переход электронов в р-область.

При необходимости повысить мощность излучения увеличивают ток. Но при этом возрастает концентрация носителей зарядов и соответственно повышается уровень Ферми. Активная область переполняется, и наступает насыщение мощности излучения. Для обеспечения большой мощности излучения рекомендуется:

увеличение толщины активной области;

увеличение площади контактных площадок, через которые осуществляется инжекция носителей;

формирование в активной области участков малой ширины с дополнительно уменьшенной шириной запрещенной зоны – квантовые ямы (рис.5.4).

Переходы между узкими квантовыми ямами могут происходить и за счет туннельного эффекта. При большой плотности зарядов повышается уровень Ферми в каждой яме вплоть до верхнего края потенциального порога (рис. 5.4, а).

В этих условиях падение напряжения непосредственно на диоде:

;

где R_s = R_{на контактах}+ R_{на резких границах гетероструктуре}+ R _{барьерной области} ;

ΔE_c – E_0e – испускание фононов неабатической инжекции носителей от уровня проводимости до нижнего уровня в зоне проводимости. (Аналогично для дырок.)