Светодиоды

При прямом смещении р-n-перехода основные носители слоя
п-электроны в огромных количествах переходят в слой р. Часть этих электронов рекомбинирует с дырками слоя р. Физически рекомбинация означает исчезновение пары свободных носителей: электрон из зоны проводимости «падает» в валентную зону, теряя при этом полученную ранее энергию. В зависимости от ширины запрещенной зоны эта энергия выделяется или в виде тепловой (фононы), или в виде световой (фотоны). В последнем случае р-n-переход начинает излучать свет определенной длины волны, т. е. становится преобразователем электрического тока в световой поток (рис. 4.45).

Рис. 4.45. Р-n-переход как источник света

Длина волны l связана с шириной запрещенной зоны (Dε) следующим соотношением: . Отсюда следует, что для получения излучения видимого спектра (0,38¸0,78) мкм полупроводник должен иметь ширину запрещенной зоны De > 1,7 эВ. В связи с этим светодиоды изготавливаются не из германия или кремния, а из других полупроводниковых материалов, например: фосфид галлия, карбид кремния и др.

Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получить свечение различного цвета. Существуют светодиоды, цвет свечения которых можно менять. В таких светодиодах два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум излучения в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы.

Характеристикой светодиода как источника света является зависимость яркости от прямого тока, т. е. (яркостная характеристика), или зависимость силы света от прямого тока, т. е. (световая характеристика). На рис. 4.46 приведен вид световой характеристики. При больших токах характеристика почти линейна. Эта часть определяет оптимальный режим работы светодиода. На рис. 4.47 приведена спектральная характеристика, которая показывает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода, но т. к. для его изготовления используются материалы с большой шириной защищенной зоны, то нижний предел рабочего напряжения – (1,0¸3,5) В. Допустимые обратные напряжения значительно ниже, чем у выпрямительных диодов, – (4¸12) В.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Если задать импульс прямого тока (см. рис. 4.48), излучение нарастает (t_вкл) за время не более 10^–8 с. Время выключения больше, т. к. происходит рассасывание избыточного заряда. Со временем происходит уменьшение мощности излучения:

,

При увеличении температуры уменьшается световой поток Ф (примерно 1 % на 1°) и увеличивается длина волны.