Светодиоды. Принцип работы
Возникновение рекомбинационного излучения в упомянутых ниже условиях позволяет создать люминесцентные диоды. Их иначе еще называют инжекционными источниками света, или светодиодами. Светодиоды давно являются весьма экономичными источниками света, с высоким кпд.
Рекламная бегущая строка, изготовленная на основе светодиодной матрицы, обладает рядом преимуществ перед рекламными вывесками, оснащенными лампами накаливания или люминесцентными лампами, в первую очередь низким энергопотреблением, а также малым весом и более высокой устойчивостью к тряске и ударам.
Светодиоды, разработанные ранее в Советском Союзе, были созданы на основе некоторых полиморфных модификаций карбида кремния, имеющего большую ширину запрещенной зоны дельта Е, порядка 3 эв. Монокристаллы этого соединения прозрачны. Советским исследователям удалось разработать технологию изготовления р—n-перехода в SiC таким образом, что подача на светодиод в прямом направлении постоянного напряжения порядка 2в вызывает равномерное его свечение. При этом токи, идущие сквозь светодиод, достигают значений в несколько миллиампер, яркость свечения — 100 нит (нт). Подобный светодиод может работать и в импульсном режиме. При возбуждении его токовыми импульсами в несколько ампер и длительностью 100 мксек. яркость свечения может достигать 1 стильба.
В зависимости от рода примесей, вводимых в решетку SiC, и выбранного политипа монокристалла можно получать свечение красного, желтого, зеленого, голубого цвета. Светодиоды могут применяться в различного рода световых табло, в измерительных приборах со светящимися цифрами, в счетно-решающих машинах для целей ввода и вывода информации, вообще говоря, — всюду, где необходимы надежно действующие световые индикаторы с очень большим сроком службы. Это последнее обстоятельство наряду с малыми рабочими напряжениями (что необходимо для стыковки с полупроводниковыми электронными схемами) выгодно отличает светодиоды от других электролюминесцентных источников света.
В 1927 г. советский физик О. В. Лосев обнаружил свечение кристаллов карборунда в приконтактной области. В то время никто еще не знал о том, что могут существовать p—n-переходы. И тем не менее О. В. Лосев сумел найти правильное объяснение открытого им явления, названного в наши дни рекомбинационным излучением. Позднее было установлено, что при соблюдении определенных условий, рекомбинационное излучение хорошо наблюдается не только в карборунде, но и в других полупроводниках, таких, например, как GaAs, Ge, Si, GaP, InAs, InSb.
Каковы же те условия, выполнение которых приводит к появлению рекомбинационного излучения? Рассмотрим систему, состоящую из р- n-полупроводников, контактирующих друг с другом, в результате чего в этой системе возникает р—n-переход. Лучше всего, если этой системой будет являться монокристалл с созданным в нем р—n-переходом. Если к такому кристаллу в пропускном направлении приложить некоторую внешнюю разность потенциалов U (плюс — к р-области, минус — к n-области), то дырки из р-области будут переходить в область n, а электроны из n-области — в область р, в результате в цени возникнет ток I.
Дырки, попавшие в n-область кристалла, будут там неосновными носителями заряда, точно так же как и электроны, проникшие в р-область.
Перешедшие в n-область кристалла дырки при встрече с электронами начинают рекомбинировать с ними. Рекомбинация происходит таким образом, что по мере удаления от р—n-перехода в глубь полупроводника концентрация дырок уменьшается, между тем как вблизи р—n-перехода — она максимальна. Совершенно аналогичное явление наблюдается и в р-области кристалла. Электроны, попавшие туда из n-области, начинают рекомбинировать с дырками. Как следствие этого процесса, концентрация электронов падает по мере удаления от р—n-перехода и имеет максимальное значение у самой его границы.
Толщина каждой области, непосредственно примыкающей к р—n-переходу в электронной и дырочной частях кристалла, в которой происходит рекомбинация носителей, определяется диффузионной длиной L.
В результате рассмотренных выше процессов получается такая картина. После приложения к кристаллу разности потенциалов U, возникает накопление неосновных носителей заряда в областях, непосредственно примыкающих к р—n-переходу: в n-области у р—n-перехода концентрируются неравновесные дырки, а в р-области — неравновесные электроны. Это явление — введение неравновесных носителей заряда в области, непосредственно граничащие с р—n-переходом, называется инжекцией носителей.
Итак, протекание электрического тока сквозь р—n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией неосновных носителей заряда, причем эта рекомбинация происходит в основном или в самом р—n-переходе, или в непосредственной близости от него, в узкой области, протяженность которой определяется диффузионной длиной L. При каждом акте рекомбинации выделяется энергия. В некоторых полупроводниках энергия, выделяемая при рекомбинации, передается главным образом кристаллической решетке.
Такого рода рекомбинация называется безызлучательной, так как в результате воссоединения электрона с дыркой не происходит перехода выделяющейся при этом энергии в лучистую. Однако в ряде других полупроводниках» например в GaAs, GaP, InAs, InSb, SiC, ZnS, процесс рекомбинации в энергетическом отношении характерен тем, что здесь энергия не передается решетке, а в основном выделяется в виде излучения. Электрон, попавший в р-область кристалла, рекомбинирует (или непосредственно или через посредство какого-нибудь примесного центра) с дыркой, т. е. переходит с вышележащего уровня на нижележащий и при этом испускает один фотон с энергией hv, равной разности энергии уровней. То же самое происходит в n-области кристалла, когда дырка, пришедшая туда, рекомбинирует с электроном, и при этом также испускается один фотон. Подобного рода переходы электрона с одного вышележащего уровня на нижележащий, сопровождающиеся испусканием света, — называются излучательными переходами, а рекомбинация пар — излучательной.
С использованием: Основы физики и техники полупроводников. Л. Л. Неменов. М. С. Соминский. Ленинградское отделение издательства «Наука», Ленинград, 1974 г.
