Светодиоды

Рассмотрим чистые полупроводники. Каждый атом четырёхвалентного элемента кремния Si или германия Ge образует парноэлектронные (ковалентные) связи с четырьмя соседними атомами Валентные электроны не остаются всё время на одной связи. Они могут перемещаться по связям от одного атома к другому, то есть они принадлежат всему кристаллу. Ковалентные связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. В этом случае, так как в кристалле нет свободных носителей заряда, ток в нём идти не может (рис.1). При нагревании наступает разрыв отдельных связей и появляются свободные электроны и вакантные места с недостающим электроном – дырки (рис.2).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры от 0 до 400 0С число разорванных связей, а значит и свободных электронов возрастает от 1017 до 1024 в каждом кубическом метре. Это приводит к уменьшению электрического сопротивления.

Дырочная проводимость. Дырка имеет избыточный положительный заряд по сравнению с остальными нормальными связями. Если электрического поля нет, то дырки движутся хаотично. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов. На самом деле перемещаются связанные электроны на вакантные места парноэлектронных связей. При этом отрицательные электроны и положительные дырки перемещаются в противоположных направлениях. А в целом, ток будет обусловлен и электронной и дырочной проводимостью.

Примесная проводимость

Обогащение полупроводника электронами и дырками может осуществляться не только внешними воздействиями (температура, освещение), вызывающими разрывы ковалентных связей, но и за счёт примесей, атомы которых являются источниками отрицательных зарядов – свободных электронов или источниками дырок, эквивалентных положительным зарядам. В соответствии с этим примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорные примеси отдают электроны. Например, атом мышьяка As четыре валентных электрона отдаёт для создания ковалентных связей с соседними атомами, тогда как пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом и легко его покидает. При добавлении одной десятимиллионной доли мышьяка число свободных электронов резко возрастает до 1016 в см3 . Это в 1000 раз больше, по сравнению с чистым полупроводником. Поскольку в таком полупроводнике преобладают заряженные отрицательно электроны – основные носители заряда, то это будет полупроводник n-типа (negative – отрицательный) см. рис.3. Дырки в этом случае являются неосновными носителями заряда.

Акцепторные примеси − принимающие. Так трёхвалентный индий не имеет четвёртого электрона и поэтому образуется дырка. Получается полупроводник р - типа (positive − положительный). В них основные носители заряда - дырки, а неосновные – электроны (рис.4). [1].

Полупроводниковый диод

Контакт двух полупроводников (p − n - переход) обладает односторонней проводимостью. При его образовании основные носители заряда диффундируют в соседнюю область с другим типом проводимости, где концентрация таких носителей ниже (там они являются неосновными носителями заряда). Проникшие в соседнюю область носители заряда препятствуют дальнейшему проникновению носителей заряда того же знака. Возникшее в зоне перехода электрическое поле останавливает диффузию.

В полупроводниковом диоде один р – n - переход, в транзисторе − два. Полупроводниковый диод (греч. «ди» - дважды и сокращение слова «электрод») – прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо – противоположного направления. Прибор представляет собой пластинку с двумя областями разной проводимости (р- и n-типа) и р–n - переходом между ними. Область n-типа – отрицательный электрод, а р-типа – положительный. Условное обозначение полупроводникового диода см. на рис. 5. На рис. 6 представлена вольтамперная характеристика диода и состояние р–n - перехода. Прямой переход - правая часть графика. Диод хорошо пропускает ток, так как область n-типа подключена к отрицательному полюсу батареи, а область р-типа - к положительному. Вблизи р–n-перехода много основных носителей заряда и электрическое сопротивление перехода падает. При обратном подключении к батарее – обратный ток очень слабый (левая часть графика), так как ток осуществляется неосновными носителями заряда, которых значительно меньше. Сопротивление перехода возрастает. Образуется так называемый запирающий слой. Этот переход называют обратным [1].

Светодиод

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) – полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. Но следует отметить, что Олег Лосев – создатель одного из первых светодиодов в середине 1920-гг. Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в1923 г. показал, что она возникает вблизи p–n-перехода.

То есть, как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p–n - переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой, более низкий). То есть наряду с образованием пар электрон – дырка в полупроводниках происходит противоположный процесс – рекомбинация. Часть актов рекомбинации заканчивается выделением тепловой энергии, которая передаётся кристаллической решётке полупроводника, но возможен выход энергии и в виде световых квантов (рис.7 а.б) [2]. Условное обозначение светодиода на электрических схемах см. на рис. 8. Устройство светодиодов и внешний вид см. рис. 9 а-д

В настоящее время полупроводниковые излучатели – это многослойные структуры, которые выращиваются в дорогостоящих установках: Из специальных ячеек, содержащих исходные компоненты, вещество медленно осаждается на монокристаллическую подложку. Слой толщиной 1 мкм выращивают несколько часов. Процесс идёт в высоком вакууме (давление порядка 10 -9 Па – паскалей). Другие условия (температура подложки, давление потоков от источников тех или иных компонентов) подбирают так, чтобы происходил послойный рост атомных слоёв. Типичная длина используемых кристаллов 100-500 мкм, ширина полоски р-электрода – до нескольких десятков мкм. Были выращены структуры с ультратонкими слоями (десятые доли нанометра). Это даёт более узкую линию излучения. В этом случае, например, структура вместо прежнего зелёного цвета излучает жёлтый или красный, в зависимости от толщины. Созданы квантовые проволоки или квантовые нити, в которых носители заряда могут перемещаться только в одном направлении, вдоль нити, а также квантовые точки или квантовые ящики, где локализация происходит уже во всех трёх направлениях. Спектр излучения получается как от атома (т. е. дискретен). Квантовые точки (искусственные атомы) имеют размеры в несколько нанометров. Теперь в руках учёных и технологов появился как бы «квантовый конструктор», где путём подбора параметров (материалов, толщины, последовательности расположения слоёв) можно получать гетероструктуры с необходимыми свойствами [3].

Спектральные характеристики. Цвет светодиода определяется не цветом пластика его корпуса, а типом полупроводникового материала, из которого он сделан.

Ассортимент цветов у светодиодов очень широк. Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Диоды, сделанные, например, из кремния или германия свет практически не излучают, но работы по созданию светодиодов на основе кремния ведутся.

Применение светодиодов

Сегодня светодиодные излучатели начинают применять более широко – от малогабаритных настольных ламп и карманных фонариков до светофоров и мощных ламп для маяков [4]. В подмосковном наукограде Фрязино производят светодиодные панели для освещения улиц. Размеры панелей – примерно 1м х 30 см. Срок службы - до 20 лет.

Светодиоды весьма экономичны. Они не содержат паров ртути как в широко рекламируемых в настоящее время люминесцентных лампах. Их КПД (коэффициент полезного действия) достигает 50 % и выше (до 80%). Срок службы – 50 тыс. часов и выше (примерно в 80 раз больше, чем у ламп накаливания). Потребление энергии в 8 раз меньше, но стоимость во много раз больше (до 100 раз) [5]. Различные варианты использования светодиодных источников света представлены на рис. 10-13. На рис. 14 светодиодная лампа и схема блока её электронного управления. Диодный мост, подключённый к цоколю лампы, выпрямляет переменный ток от сети 220В. Микросхема контроллера управляет работой мощного транзистора, который переключает ток в первичной обмотке трансформатора. Выпрямленный диодом и стабилизированный ток вторичной обмотки поступает на светодиоды [6].

• Высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы. Но, правда, он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
• Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение, в видимое с хорошим спектром.
• Малая инерционность.
• Малый угол излучения – может быть как достоинством, так и недостатком.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.
• Безопасность – не требуются высокие напряжения.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.
• Нет стробоскопического эффекта, характерного для люминесцентных ламп.

Американская компания RTI International экспериментирует с применением в качестве основы для светильника фотолюминесцентных нановолокон. Массив этих волокон может быть как отражателем, так и излучателем комфортного для глаз белого света. Для этого нановолокна покрывают квантовыми точками, которые обладают способностью к люминесценции, параметры которой легко настраивать, варьируя размер «точек». Такие светильники будут представлять собой пластиковый корпус, в котором роль первичного источника лучей играет синий светодиод, работающий на длине волны 450 нм. На пути светового потока расположен нановолоконный мат, который трансформирует часть светового потока в другие длины волн. Смешиваясь, они дадут белый цвет [membrana.ru.19 февраля 2010]. См. рисунок 18.