Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый диод в котором при протекании тока в прямом направлении возникает оптическое излучение. Обычно светодиоды излучают свет в узком диапазоне частот. Наиболее распространены инфракрасные, красные, зелёные и синие светодиоды. Цвет излучаемого светодиодом света зависит от использованного в нём конкретного полупроводникового материала, а соответственно и ширины запрещённой зоны в этом материале.

Принцип работы светодиода заключается в том, что при протекании тока через p-n переход в область p-полупроводника инжектируются электроны, а в область n-полупроводника инжектируются дырки. И в том и другом случае образуются пары электрон-дырка, при рекомбинации которых излучается квант света. Энергетическая диаграмма p-n перехода, поясняющая излучение света в светодиоде, приведена на рисунке 1.

Энергетическая диаграмма p-n перехода, поясняющая излучение света
Рисунок 1. Энергетическая диаграмма p-n перехода, поясняющая излучение света в светодиоде

До сих пор мы предполагали, что энергетические уровни одинаковы для всего объёма полупроводника. Так показано и на рисунке 1, но, к сожалению, это не так. В зависимости от направления кристаллографических осей, энергетические уровни в зонах полупроводника изменяются. Упрощённый вид энергетической диаграммы прямозонного полупроводника в зависимости от направления измерения в кристалле приведён на рисунке 2.

Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника
Рисунок 2. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника

В прямозонном полупроводнике при рекомбинации пары электрон-дырка вся энергия переходит в квант света — фотон hω. В непрямозонном полупроводнике минимум энергии в зоне проводимости не совпадает с максимумом энергии валентной зоны. В результате при рекомбинации часть энергии преобразуется в колебания ионов кристалла — фонон. Эта энергия выделяется в виде тепла. В результате в непрямозонных полупроводниковых материалах КПД излучения резко уменьшается. В качестве примера распределения энергетических зон по направлению в кристалле можно привести кремний. Зависимость энергетических диаграмм кремния от направления кристаллографических осей приведена на рисунке 3.

Энергетическая диаграмма кремния
Рисунок 3. Энергетическая диаграмма кремния

Тем не менее, такие непрямозонные полупроводники, как карбид кремния (SiC), фосфид галлия (GaP) или арсенид алюминия (AlAs), в том числе в виде твердого раствора арсенид алюминия галлия (AlGaAs) широко используется в качестве светоизлучающего материала. Естественно, такие полупроводники, как германий (Ge) и кремний (Si) не могут быть использованы в светодиодах из-за слишком малой ширины запрещённой зоны.

Из курса физики известно, что цвет излучаемого света зависит от энергии фотонов. Энергия фотонов красного света меньше энергии фотонов зелёного, а тем более, синего света. Как уже было показано на рисунках 1 и 2, энергия фотонов зависит от ширины запрещённой зоны. В таблице 1 показаны ширина запрещённой зоны полупроводниковых материалов и реализованный цвет свечения в светодиодах, выполненных на этих материалах.

Таблица 1. Ширина запрещённой зоны полупроводниковых материалов и цвет свечения

Материал Ширина запрещённой зоны (эВ) Цвет свечения
GaAs 1,42 Инфракрасный, красный
GaP 2,26 Оранжевый, жёлтый, зелёный
GaN 3,37 Зелёный
SiC 2,36 ... 3,28 Зелёный, синий
AlN 6,2 Ультрафиолетовый
BN Ультрафиолетовый
С 5,46 ... 6,4 Ультрафиолетовый

Интересным свойством обладают твердые растворы полупроводниковых материалов. В зависимости от соотношения исходных полупроводниковых материалов в растворе можно менять ширину запрещенной зоны в результирующем полупроводнике. Пример таких материалов приведен в таблице 2.

Таблица 2. Многокомпонентные полупроводниковые материалы и их цвет свечения

Материал Ширина запрещённой зоны (эВ) Цвет свечения
AlGaAs 1,42 ... 2,16 Инфракрасный, красный
GaAsP 1,42 ... 2,26 Красный, оранжевый, жёлтый
InGaN 0,7 ... 3,37 Зелёный, синий, фиолетовый
AlGaN 3,37 ... 6,2 Ультрафиолетовый
AlGaInN 0,7 ... 6,2 Зелёный, синий, фиолетовый, ультрафиолетовый
AlGaAsP Красный, оранжевый, жёлтый, зелёный

Интерес к светодиодам обусловлен несколькими основными причинами. Первая — высокая светоотдача светодиодов. Вторая — технологичность производства, третья — высокие характеристики механической прочности светодиодов. Светоотдача определяется как отношение светового потока в люменах к потребляемой электрической мощности в ваттах. Графики светоотдачи наиболее распространённых светодиодов, выполненных на гетеропереходах InGaN и AlInGaP приведены на рисунке 4.

Светоотдача светодиодных ламп по отношению к обычным
Рисунок 4. Светоотдача светодиодов по отношению к обычным лампам

Стрелки справа на этом рисунке показывают светоотдачу различных вакуумных и газонаполненных ламп. Для справки на этом же рисунке приведена кривая спектральной чувствительности человеческого глаза. Как видно из приведенного рисунка, светодиоды превзошли по своей эффективности традиционные лампы, поэтому кроме светодиодных индикаторов (одиночных, семисегментных и матричных) в настоящее время эти электронные приборы широко используются в составе светодиодных ламп.

Итак, мы выяснили, что рекомбинация электрона и дырки в светодиоде может происходить либо с излучением кванта света, либо через дефекты кристалла (например, дислокации) и примеси вызывать колебания кристаллической решётки (превращаться в тепло). Вероятность рекомбинации с излучением фотонов света пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому необходимо повышать концентрацию основных носителей в p- и n-областях светодиода. Для дальнейшего увеличения концентрации основных носителей в светодиоде нужно уменьшить толщину активной области, в которой идет рекомбинация.

Однако в обычных p-n переходах толщина активной области не может быть меньше диффузионной длины — среднего расстояния, на которое распространяются инжектированные носители заряда до момента рекомбинации. Для решения этой задачи можно воспользоваться потенциальной ямой, известной из курса физики. Для этого вблизи p-n переходах нужно создать слой полупроводника с другой шириной запрещённой зоны (или с меньшей энергией зоны проводимости). Толщина этой зоны может быть создана меньше толщины активной зоны p-n перехода.

Метод регулирования ширины запрещённой зоны мы уже рассматривали — это твёрдые растворы полупроводников, такие как AlGaAs. На рисунке 5 приведён пример энергетических диаграмм гетероперехода InGaN-AlGaN, в котором образуется потенциальная яма (область InGaN), которую электрон не может покинуть, кроме как рекомбинировав с "дыркой". То же самое относится к "дыркам". Они тоже не могут покинуть область потенциальной ямы. Рекомбинация в области потенциальной ямы происходит с излучением фотона света.

Энергетическая диаграмма светодиода на гетеропереходах
Рисунок 5. Энергетическая диаграмма p-n перехода с потенциальной ямой

Такой гетеропереход может быть использован для реализации высокоэффективного светодиода. Толщину активного слоя InGaN в этом светодиоде можно выполнить намного меньше толщины диффузионного слоя в обычном p-n переходе, в результате концентрация электронов в нём при том же токе будет намного выше. Соответственно выше будет и светоотдача.

Рассмотрим подробнее устройство подобного светодиода. Основной материал в нём выбран GaN, соответственно концентрация неосновных носителей (а значит и их рекомбинация) из-за широкой запрещённой зоны будет небольшой. Для уменьшения омического сопротивления этих областей полупроводника их легирование делают очень высоким, так, что уровень легирующей примеси расщепляется и сливается с зоной проводимости основного полупроводника, как в туннельном диоде.

В качестве легирующей примеси в n-области полупроводника GaN выбирается кремний Si, а в p-области — магний Mg.

Нитрид галлия является прозрачным материалом, но даже непрозрачные материалы, если представляют собой тонкие слои, тоже прозрачны. Поэтому свет свободно выходит из активной зоны за пределы светодиода. Эффективность светодиода возрастает, если вместо одной активной области (квантовой ямы) использовать несколько. Упрощённая конструкция подобного светодиода приведена на рисунке 6.

Светодиод повышенной яркости свечения
Рисунок 6. Структура светодиода на гетеропереходах InGaN/AlGaN/GaN с несколькими квантовыми ямами

Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный "пирог". На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN, легированный кремнием Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям InGaN (3-4 нм) и барьеров GaN (4 ... 5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям InGaN соответствует излучению от голубой до желтой области (450 ... 580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2 ... 0.4. Она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слой p-Al0.1Ga0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.

Подобная конструкция очень удобна для реализации светодиодов поверхностного монтажа (SMD). Этот вид светодиодов удобны как для создания одиночных индикаторов, так и для устройств подсветки светопроводов в различных электронных устройствах или в составе светодиодных ламп. Внешний вид подобных светодиодов приведён на рисунке 7.

Внешний вид SMD светодиодов
Рисунок 7. Внешний вид светодиодов поверхностного монтажа (SMD)

В белых светодиодах их поверхность покрывается люминофором, как в лампах дневного света. При этом для его подсветки используется ультрафиолетовый светодиод. В индикаторных светодиодах кроме полупроводникового кристалла используют пластиковую линзу, как это показано на рисунке 8.

Внешний вид светодиодов
Рисунок 8. Внешний вид индикаторных светодиодов

Дата последнего обновления файла 3.09.2022


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  5. Юнович А. Э. Свет из гетеропереходов. Природа, 2001, №6.
  6. Алфёров Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №1.
  7. Запрещённая зона, материал из Википедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Запрещённая_зона

Вместе со статьей "Светодиоды" читают:

p-n переход
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Выпрямительные диоды
https://digteh.ru/foe/diod/vypryam/

Стабилитроны и стабисторы
https://digteh.ru/foe/diod/stabilitron/

Обращённые диоды
https://digteh.ru/foe/diod/obr/

Варикапы
https://digteh.ru/foe/diod/varycap/

Тунельные диоды
https://digteh.ru/foe/diod/tunel/

PIN диоды
https://digteh.ru/foe/diod/pin/

Диоды Шоттки
https://digteh.ru/foe/diod/schottky/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2022

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 100 научных и научно-методических работ, в том числе 15 монографий и 9 учебников и учебных пособий.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика