Физика работы светодиода |
14.04.2007 Новиков Максим Глебович |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Содержание
ВведениеРанее я уже затрагивал тему светодиодов, где описывал способы правильного их подключения к различным источникам тока. Это был чисто практический материал. Теперь я опишу процессы, происходящие в светодиоде на атомном уровне, которые заставляют его излучать свет. При изучении первой главы данного материала мы постараемся обойтись без квантовой механики, слишком абстрактной для лёгкого её понимания. Мы будем оперировать старыми упрощёнными понятиями. Во второй главе мы вскользь коснёмся некоторых понятий квантовой физики. В заключительной третьей главе, касающейся современных светодиодов, нам придётся уже существенно погрузиться в квантовую физику, без которой невозможно понимание работы современного светодиода. Впрочем, при всём при этом мы обойдёмся без формул. Итак, вначале нам нужно будет знать всего лишь несколько простых вещей:
Глава 1. Простое объяснениеПринцип излучения света светодиодом достаточно прост. Внутри светодиода прижаты друг к другу два разных материала. Каждый из материалов подключен к своему выводу (ножке светодиода). Свойства одного материала обуславливают наличие в нём некоторых атомов с лишними электронами, находящимися на высоких орбитах, готовых оторваться, а свойства другого — наличие в нём атомов с недостатком электронов на низких орбитах. Подключив материал с избытком электронов к минусу батарейки а другой — к плюсу, мы создадим разность потенциалов, в результате которой все плохо закрепленные в атомах электроны, вращающиеся на высоких орбитах, начнут отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному. Они двинуться в сторону второго материала, заполняя пустые места в его атомах, находящиеся на более низких орбитах. Поскольку раньше электроны находились на более высоких орбитах, то они имеют большую энергию, чем им нужно в новых атомах. Поэтому переходя на более низкую орбиту они выбрасывает лишнюю энергию в виде электромагнитной волны, то есть рождают свет. Длина излучённой электромагнитной волны зависит от величины выделившейся из электрона энергии — чем больше энергия, тем сильнее сжата волна, выше её плотность, а значит, меньше её длина, и, как следствие, «синее» излучаемый свет. При заполнения электронами ближнего слоя атомов второго материала, приложенная разность потенциалов заставит эти электроны не изменяя более своих энергий перескакивать по атомам дальше. Таким образом электроны пройдут через весь второй материал до положительного полюса батареи. А пока они будут идти, первый слой снова заполнится пришедшими из первого материала электронами, которые снова излучат свет при снижении своих орбит и всё повторится. Глава 2. То же самое более подробноПо ходу прочтения предыдущего крайне простого объяснения у вас наверняка возникли вопросы, на которые я постараюсь ответить в этой более подробной главе. Сначала мы познакомимся с некоторыми новыми понятиями, такими как полупроводники, электронная и дырочная проводимости и т.п., а потом перейдём непосредственно к работе светодиода. Замечу, что процессы, происходящие на атомном уровне, представлены здесь в виде общепринятых, но не совсем точных моделей. Эти модели призваны дать приблизительное понятие о том, что на самом деле происходит, и их нельзя использовать в качестве основы для построения более глубоких умозаключений. В микромире заканчивается привычная нам физика твёрдых частиц и появляется всё больше абстракций, которые на современном этапе всё труднее объяснить физически. А с помощью моделей мы имеем возможность хоть ещё немного продолжить привычную нам физику. Энергетическая структура атомаВнутри атома электрон может располагаться только на определённых, фиксированных орбитах, зависящих от его энергии. Орбита электрона фиксируется благодаря его волновым свойствам — когда она вмещает по своей длине целое число его внутренних волн таким образом, что при каждом новом витке последующие возмущённые им волны поглощают предыдущие, то его общая энергия сохраняется и он остаётся на орбите. При гипотетических попытках отклонения энергии, электрон переходит на соответствующую новой энергии орбиту, где волны могут перестать поглащать друг друга и даже начнут интерферировать (складываться). Поскольку взаимного поглощения не происходит, они беспрепятственно излучаются наружу из атома, снижая общую энергию электрона, а значит и его орбиту, до ближайшей нижележащей орбиты, где его волны опять начнут поглащать друг друга. Утечка энергии прекратится и орбита вновь зафиксируется. Уровни орбит (энергетические уровни) можно условно объединить в более крупные зоны. Электронам каждой зоны свойственно своё поведение. Рассмотрим зонную структуру атомов рассматриваемых нами материалов, начиная с уровней наименьших энергий:
Ковалентная связь между атомами полупроводникаАтомы полупроводника (например, германия) связаны друг с другом валентными электронами. Связь происходит следующим образом. У германия 4 валентных электрона. Вокруг каждой пары атомов германия движутся 2 валентных электрона — по одному от каждого атома. Атомы выстраиваются так, чтобы у каждого было столько соседних атомов, сколько валентных электронов он имеет. Таким образом все валентные электроны у всех атомов получаются задействованными. Такая связь называется ковалентной.
Электронная и дырочная проводимостьВ полупроводниках при повышении температуры выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, которой становится достаточно для преодоления запрещённой зоны и перехода на уровень проводимости. В итоге при комнатной температуре в зоне проводимости постоянно присутствует некоторое количество электронов, а в валентной зоне атомов образуется дефицит электронов (дырки). В итоге полупроводник начинает обладать и электронной и дырочной проводимостью — электронную проводимость осуществляют электроны, свободно перемещающиеся в зоне проводимости, а дырочную — электроны в зоне валентности, способные перескакивать в дырку с соседних атомов. При этом электронная проводимость доминирует над дырочной, так как электроны зоны проводимости перемещаются свободнее, но общая электропроводность полупроводника естественно складывается из этих двух проводимостей. Примесная проводимостьЗамещая у полупроводника некоторые атомы на атомы других веществ с той или иной валентностью, можно увеличить либо количество электронов в зоне проводимости, либо количество дырок в валентной зоне. Происходит это следующим образом:
Работа электронно-дырочного переходаТеперь сложим два разных полупроводника вместе, и подключим прямое напряжение — минус к полупроводнику с электронной проводимостью, а плюс — к полупроводнику с дырочной проводимостью. Из-за разности потенциалов электроны из зоны проводимости первого полупроводника, проскакивая между атомами, устремятся в сторону второго. Достигнув его, они будут перескакивать на ждущие их атомы второго полупроводника с отсутствующими валентными электронами, и далее пойдут по цепочке этих атомов, перескакивая от одного к другому, пока не выйдут через плюсовой вывод. В момент, когда электроны опускаются из зоны проводимости через запрещённую зону на валентные энергетические уровни атомов второго полупроводника, из электронов выделяется лишняя энергия, пропорциональная ширине запрещённой зоны. Процесс занятия электроном зоны проводимости пустого энергетического уровня в атоме называется рекомбинацией. Как уже упоминалось выше при рассмотрении энергетической структуры атома, энергия при рекомбинации электрона выделяется из него за счёт пересечения им орбит с длиной, в которой не укладывается целое число его собственных волн (ведь электрон имеет также и собственную волновую функцию). Поэтому его собственная волна при каждом новом витке не поглощает саму себя, как это происходит на всех фиксированных орбитах, а накладывается друг на друга (интерферирует), и излучается. Работа светодиодаВ случае с германием выделение электронами энергии при пересечении небольшой запрещённой зоны незначительно, и расходуется лишь на тепловое раскачивание атомов. Для того, чтобы энергия выделялась в виде электромагнитных волн (фотонов) светового диапазона, применяют полупроводники с большим размером запрещённой зоны. В этом случае при рекомбинации электрона выделяется фотон (квант электромагнитной волны) с большой энергией. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитной волны. Подбирая полупроводники с разным размером запрещённой зоны можно менять цвет излучения. Глава 3. Физика работы современных светодиодовВ современных светодиодах для повышения эффективности их работы используют сложную структуру полупроводников. Вместо обычного электронно-дырочного перехода (на основе одного полупроводника с примесями разной валентности) применяют несколько последовательных гетеропереходов (переходов между полупроводниками разных составов). В простейшем случае между двумя полупроводниками разного типа проводимости помещают тонкий слой (плёнку) полупроводника без примесей (с невыраженным типом проводимости) и с относительно меньшим размером запрещённой зоны в его атомах.
Электроны попадают в этот полупроводник и принимают наименьший энергетический уровень его зоны проводимости, ближе к дну ямы, после чего не могут свободно проскочить дальше по зоне проводимости, ибо их энергия уже ниже энергии проводимости следующего материала. В результате они оказываются запертыми и вынуждены рекомбинировать в этой тонкой области.
Рекомбинация в тонком полупроводниковом слое, не имеющем примесей, даёт несколько преимуществ:
Объясню последний пункт подробнее. При толщине центрального слоя всего в несколько слоёв атомов появляется дополнительная возможность регулировать этой толщиной энергию испускаемых рекомбинирующими электронами фотонов (цвет излучения) как за счёт эффекта размерного квантования, так и за счет упругой деформации слоя. И то и другое влияет на величину расщепления энергетических уровней, о чём будет сказано ниже.
Регулировка размерным квантованием заключается в следующем:
Регулировка упругой деформацией заключается в следующем:
Материалы активной зоны светодиодов разных спектров свечения
|
Цвет |
Длина волны (нм) |
Материал активного слоя |
Инфракрасные | ≈ 760…1450 | GaAs, GaAlAs(P), GaInAs(Sb | P) |
Красные |
≈ 670 |
InGaAlP, GaP, GaAsP, GaAlAs |
Красно-оранжевые |
≈ 635 |
InGaAlP, GaP |
Оранжевые |
≈ 620 |
InGaAlP, GaP |
Янтарные |
≈ 600 |
InGaAlP, GaP |
Жёлтые |
≈ 585 |
InGaAlP, GaP |
Салатовые |
≈ 565 |
InGaN, GaP |
Зелёные |
≈ 540 |
InGaN, GaP |
Зелёно-синие |
≈ 510 |
InGaN |
Зелёно-синие (бирюзовые) |
≈ 490 |
InGaN |
Голубые |
≈ 470 |
InGaN |
Синие | ≈ 450 | InGaN |
Фиолетовые |
≈ 420 |
InGaN |
Ультрафиолетовые |
≈ 210…400 |
GaAlN, AlN |