Светодиоды. Определение. Принцип работы
Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе, от химического состава использованных в нём полупроводников. Он кардинально отличается от традиционных источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы, разрядные лампы высокого и низкого давления.
Генерация света (рис. 1) в СД происходит за счет энергии, выделяемой при рекомбинации носителей тока - электронов и дырок - на границе на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. Характер проводимости определяется не только самим материалом, но и примесями (легирующими веществами), вводимыми в основной материал в строго дозированных количествах. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется «полупроводником типа n». Материал с недостатком электронов, т. е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных поглотить электрон и стать нейтральным атомом, называется «полупроводником типа p». На границе таких материалов образуется p-n переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус - к материалу с электронной проводимостью n, плюс - с дырочной проводимостью p) через переход пойдет ток, а при рекомбинации электронов и дырок будет выделяться энергия. Величина энергии квантов, выделяемых при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов в возбужденном и нейтральных атомах, т. е. от ширины запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны от 1,7 до 3,4 эВ энергия излучаемых квантов соответствует видимому диапазону спектра с длинами волн от 700 до 400 нм. Эта энергия распространяется во всех направлениях. На рисунке 2 показана схема распространения света при рекомбинации одного электрона и «дырки».
Рисунок 1
Рисунок 2
Полупроводниковые материалы с различными типами проводимости и разной шириной запретной зоны делают на специальных установках методом эпитаксиального выращивания многопроходных двойных гетероструктур, которые возникли благодаря работам Ж. И. Алферова в начале 90-х годов, в жидкой или газообразной среде.