Устройство светодиода

В светодиодах преобразование электрической энергии в видимый свет — оптическое излучение — происходит при обычных температурах за счет свойств pn-перехода. В основе явления свечения светодиода лежит явление люминесценции.

Процесс люминесценции включает в себя два этапа. На первом этапе происходит генерация подвижных носителей заряда, накопление энергии.

На втором этапе возникает рекомбинация, в результате которой в окружающее пространство излучается энергия, затраченная на генерацию.

Для того чтобы излучаемая энергия имела спектральный состав в области видимого света, требуется подобрать соответствующий материал излучающих структур.

Для получения излучения в области видимого света используют материалы с большой шириной запрещенной зоны: фосфид галлия, карбид кремния, арсенид галлия и др.

В светодиодах применяют инжекционную люминесценцию, при которой рn-переход находится под прямым напряжением и_пр, в результате чего происхо­дит инжекция основных носителей из одной области в другую.

В светодиодах излучающей является только одна область, поэтому стремятся получить максимальную инжекцию в эту область. Если излучающей является р-область, то концентрация примеси в я-области должна быть гораздо выше, чем в излучающей области, в данном случае р-области. В р-области происходит рекомбинация носителей с выделением в окружающее пространство видимого света (электромагнитного излучения).,

На рис. 10. показана конструкция плоскостного светодиода. При приложении прямого напряжения II к рп-переходу происходит диффузионный перенос носителей через него. Увеличивается инжекция дырок в п-область и электронов в р-область. Прохождение тока через рп-переход в прямом на правлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом рn-переходе..

В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки), энергетические уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны, и сопровождается выделением тепловой энергии — фонола. Такая рекомбинация называется безызлучательной. В ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света — фотона. Это происходит в полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны — прямозонных полупроводниках. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны {переход зона-зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение..

Рисунок 10. Структурная схема светодиода.

Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, при котором еще один электрон перейдет в валентную зону. Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных рп-переходом. Желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально в излучающей (активной) р-области. Для этого в п-область вводят больше донорной примеси, чем в р-область акцепторной. Преобладает инжекция электронов из n-области в р-область, и излучает р-область. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток рn-перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, и процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в рn-переходе. Достоинства светодиодов:

высокий КПД преобразования электрической энергии в световую энергию;

сравнительно высокая направленность излучения;

высокое быстродействие, что позволяет использовать свето диоды в устройствах управления.

Существуют различного типа светодиоды, которые практически перекрывают весь оптический диапазон различных цветов.