Вопрос 11 – Светоизлучающий диод, принцип действия, характеристики.

Светодиоды — полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- р-п -переход.

Светоизлучающим диодом (СИД) называют полупроводниковый диод, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок.

В структурах СИД преобладает излучательная или фотонная рекомбинация.

Как правило, светодиоды работают в спектральном диапазоне 0,4 - 1,6 мкм Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами — СИД (в этом названии слово «свет» употребляется в узком смысле). В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности.

Светодиоды работают при пропускании через них тока в прямом направлении. Вспециальных случаях для генерации коротких световых импульсов за счет предпробойной люминесценции используют обратное включение светодиодов. Их эффективность при этом мала. За счет инжекции электронов в р -область, а дырок в п -область вблизи р-п -перехода создается неравновесное распределение носителей заряда, как это показано на рис. 2.7. В светодиоде важно обеспечить такие условия, чтобы рекомбинация инжектированных неосновных носителей заряда происходила излучательным путем. Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к р-п -переходу, определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материал и уровнем его легирования. Как нетрудно убедиться из рис. 2.7 eU» E_g типичные значения U_раб = 1 - 4 В.

Эффективность светодиода

Эффективность светодиода h представляет собой его КПД и связана с внешним квантовым выходом элект-ролюминесценции h_е соотношением

(3.1)

где — энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, U _раб — приложенное внешнее напряжение.

Рассмотрим сначала светодиод в виде прямоугольного параллелепипеда с плоским р-п -переходом, как показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схематическое изображение плоского светодиода

Спонтанное излучение генерируется в активной области вблизи р-п -перехода и испускается изотропно во все направления. Значение внешнего квантового выхода h_е будет определяться внутренним квантовым выходом люминесценции h_i, коэффициентом инжекции h_I и оптической эффективностью вывода света h_o:

h_{е =}h_ih_Ih_o. (3.2)

Проанализируем вклад в общую эффективность каждого из входящих в (3.2) сомножителей.

1. Внутренний квантовый выход люминесценции h_i определяется соотношением вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации и зависит от особенностей зонной структуры полупроводника, типа легирующих примесей и их концентрации, а также от степени совершенства материала.

2. Коэффициент инжекции h_I. Как правило, излучательная рекомбинация преобладает в одной из областей (р или п), прилегающих к р-п -переходу. Поэтому р-п -переход в светодиоде должен обеспечить преимущественную инжекцию неосновных носителей заряда в ту область, где h_i максимален.

3. Коэффициент вывода света h_о. Он определяется процессами распространения света в активном материале, его отражением и поглощением на границах раздела, в том числе процессами полного внутреннего отражения. Величина h_о представляет собой оптическую эффективность вывода наружу излучения, генерируемого в активной области светодиода. Для оцен