Dioda elektroluminescencyjna

Z Wikipedii

Struktura wewnętrzna diody LED

Niebieska, zielona i czerwona dioda LED

Diody LED

Diody mocy (Luxeony)

Symbol LED

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. light-emitting diode) – dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni.

[edytuj] Wynalezienie diody

Do produkcji weszła w latach sześćdziesiątych w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę.

Możliwe jest, że została wynaleziona już wcześniej, w latach 20. XX wieku. Radziecki technik radiowy Oleg Władimirowicz Łosew zauważył, że diody używane w odbiornikach radiowych emitują światło, w latach 1927-30 opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych^[1].

[edytuj] Działanie

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Główne parametry diod LED:

sprawność kwantowa (zewnętrzna);
skuteczność świetlna;
długość fali emitowanego światła;
szerokość widmowa;
moc wyjściowa;
częstotliwość graniczna;
czas narastania lub opadania;
maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w mA);
maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V).

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek galu (GaAs) i między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa – jest to parametr określający udział przejść rekombinacyjnych w wyniku których generowane są fotony do ilości nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n, przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza).

$\nu_{qw}=\frac{N_{fot}}{N_{noso}}=\frac{\frac{P_{prom}}{hv}}{\frac{I}{e}}$

przy czym:

N_fot – całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego;
N_nośo – całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza;
P_prom – moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika;
h – stała Plancka;
v – częstotliwość generowanego promieniowania;
I – prąd elektryczny doprowadzony do diody;
e – ładunek elektronu.

W krzemie i germanie dominują przejścia skośne.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie LED mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania:

$\lambda=\frac{hc}{W_g}$

przy czym:

W_g = W_c – W_v – szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,
h – stała Plancka,
c – prędkość światła.

Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej n_qz/n_nw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa n_qw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.

Przekroje diod a) płaskiej; b) półsferycznej

Charakterystyki spektralne diod elektroluminescencyjnych z GaAs pomierzone w temperaturach 77 K i 295 K.

Charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych.

Charakterystyki prądowo-napięciowe LED

Charakterystyka kątowa promieniowania LED

Na rysunku a) przekrój diody elektroluminescencyjnej płaskiej, a na rysunku b) półsferycznej. Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne

$q_{kr}= \mathrm{arcsin}\frac{1}{n^{*}}$

przy czym n* jest współczynnikiem załamania.

Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji exp[-a(l)x], gdzie a(l) jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, x zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.

Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku omawianej diody płaskiej określa zależność:

$\mu_{qz}=\frac{q}{P}\frac{4n^{*}}{(n^{*}+1)^2}(1-\cos\phi_{kr})\frac{\int\Phi(\lambda)[1+R~\exp(-2\alpha_n(\lambda)\chi_n)]~\exp(\alpha_p(\lambda)\chi_p)d\lambda}{\int\Phi(\lambda)d\lambda}$

przy czym:

P – moc wejściowa elektryczna;
4n*/(n*+1)² – współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza;
f(l) – strumień fotonów;
R – współczynnik odbicia od kontaktu tylnego;
α_n, α_p – współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody;
x_n , x_p – grubość obszaru n lub p diody.

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.

Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski do 950 nm – bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. GaAs, GaP, GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zależy od materiału półprzewodnikowego są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.

Materiał	Barwa
GaAs	podczerwień
GaP	czerwona, zielona, żółta
GaAs_1-xP_x	czerwona, pomarańczowa, żółta
Al_xGa_1-xAs	czerwona, podczerwień
GaN	niebieska, biała

Średni prąd przewodzenia I_F nie powinien przekraczać 20 – 100 mA, zależnie od typu diody i ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego szeregowo z diodą. Zalety diod elektroluminescencyjnych:

mały pobór prądu
mała wartość napięcia zasilającego
duża sprawność
mała moc strat
małe rozmiary
duża trwałość
duża wartość luminacji

[edytuj] Odmiany i zastosowania LED

IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania
HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za takie uważa się, których jasność przekracza 0.2 cd; znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła – w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach
tricolor LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy
warm white LED – LED generująca światło bardzo zbliżone do światła żarówki (temperatura barwy 3500 K, odpowiednio dobrana jaskrawość)