Физические основы свечения светодиода

Принцип работы светодиодного кристалла

Как полупроводниковый диод, светодиод - это полупроводниковый элемент, имеющий p-n переход. Ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном.

Если в полупроводнике есть p-n-переход, то на границе между областями с дырочной p и электронной n проводимостью при положительном потенциале на p-области и отрицательном — на n-области, потенциальный барьер в p-n-переходе снижается и электроны из n-области инжектируются в р-область. Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют с выделением энергии. Эта энергия выделяется либо в виде тепла, либо излучения (излучательная рекомбинация). Для того, чтобы p-n переход излучал свет, ширина запрещенной зоны p-n перехода светодиода должна быть близка к энергии фотонов видимого диапазона излучения.

Производство первых светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Длина волны излучаемого света, то есть цвет свечения, определяется величиной энергетического барьера на границе p и n областей.

После изобретения красного и инфракрасного светодиодов с низкой энергией излучения, дальнейшие исследования проводились в направлении повышения эффективности светодиодов и увеличения энергии излучаемых фотонов. Для повышения эффективности, вероятность излучательной рекомбинации должна быть высокой, для чего полупроводниковый чип должен содержать мало дефектов, из-за которых повышается вероятность тепловой рекомбинации. Вероятность излучательной рекомбинации также прямо зависит от концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и n- областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу и одного p-n-перехода бывает недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, или гетероструктуры, за изучение которых российский академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Далее о светодиодах >>>