Излучение света твердотельным диодом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Излучение света твердотельным диодом



Содержание

Введение

История разработки и усовершенствования

p-n переходы

Принцип работы

Технология изготовления

Особенности

Применение и перспективы

Вывод

Список литературы



Введение

Светодиод или светоизлучающий диод-- является полупроводниковым прибором, излучающим некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника.

Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда -- электроны и дырки -- рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.



История разработки и усовершенствования

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году, Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания Монсанто была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании Хьюллет-Паккард удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Советский ученый Олег Лосев является создателем одного из первых светодиодов в середине 1920-гг.

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи p-n-перехода.

О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на "Световое реле" (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет в области светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.

Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.

В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

p-n переходы

p-n-перехомд (n -- negative -- отрицательный, электронный, p -- positive -- положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход -- разновидность гомопереходов, Зоной p-n перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.

Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:

· в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-область), а в другой -- акцепторной (p-область);

· на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.

Если p-n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.

Рис. Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

При контакте двух областей n- и p- типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из её дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области -- нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт -- устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга).

Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а область пространственного заряда сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p -- n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольт-амперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 105 -- 106 раз. Благодаря этому p-n-переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Is -- ток насыщения, Uпр -- напряжение пробоя.

Чтобы вывести зависимость величины тока через p-n-переход от внешнего смещающего напряжения V, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j -- плотность электрического тока; тогда

je = ?eJe, jh = eJh.

При V = 0 как Je, так и Jh обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ? 0 баланс нарушается.

Ёмкость p-n-перехода и частотные характеристики

p-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.

Кроме барьерной ёмкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.



Эквивалентная схема p-n-перехода. Cб -- барьерная ёмкость, Cд -- диффузионная ёмкость, Ra -- дифференциальное сопротивление p-n-перехода, r -- объёмное сопротивление базы.

Суммарная ёмкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода Rа включены диффузионная ёмкость Cд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p-n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои линейные свойства.

Принцип работы

Активная часть светодиода, называемая "кристалл" или "чип", как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника - с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар.



Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.

Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую -- донорскими.

Схема и энергетическая диаграмма полупроводникового светодиода

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.

Технология изготовления

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология -- металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок -- в р-области.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 -- 12 подложках диаметром 50 -- 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это -- технология, требующая высокой производственной культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р- слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привел+а к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details -- поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board).

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора -- в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими,т.е. призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для

мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

Особенности

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

· Высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света.

· Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

· Длительный срок службы. Но и он не бесконечен -- при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит "отравление" кристалла и постепенное падение яркости.

· Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром.

· Малая инерционность.

· Малый угол излучения -- также может быть как достоинством, так и недостатком.

· Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.

· Безопасность -- не требуются высокие напряжения.

· Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

· Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

Цветность.

Как уже отмечалось светодиоды могут быть одноцветными - белыми, зелеными, красными, желтыми и т.д. и многоцветными. Остановимся на втором типе. Многоцветность задается несколькими способами:

1. В корпус одного светодиода помещается несколько различных полупроводниковых кристаллов. В зависимости от типа полупроводника свечение они будут излучать различное: красные, зеленое, желтое. Соответственно и может изменяться количество выводов не 2, а более.

2. Существуют полупроводники, которые способны изменять цвет в зависимости от поданного на них напряжения - например радужные светодиоды в современных мышках.

Основные цвета светодиодов: оранжевый, красный, синий, желтый, зеленый, фиолетовый, ультрафиолетовый.

· Двухцветные светодиоды удобно использовать для отображения каких-то простых действий: индикация изменения уровня сигнала, переключение с одной линии питания на другую и прочее

· Трехцветные светодиоды которые могут давать три основных цвета (красный, зеленый, синий) могут использоваться для создания огромных дисплеев с отображением реальной картинки т.к. при смешивании этих основных цветов можно получить всю гамму оттенков.

· Четырехцветные светодиоды достаточно редкие и содержат кристаллы для отображения четырех цветов (синий, зеленый, красный, желтый) и применяются в основном для создания белого света с высокими качественными характеристиками CRI (Color rendering index).

· Существуют так же светодиоды способные излучать в инфракрасном диапазоне, но так как из излучения не видно глазу человека - они применяются в охранных системах, пультах ДУ и прочее.

Яркость.

Яркость - это количество света, испускаемого кристаллом с единицы площади.

Промышленность выпускает огромное количество различных светодиодов от слабого свечения (индикаторы) до суперярких. Это можно связать лишь с тем неоспоримым фактом использования светодиодов в различных целях повсеместно.

· Светодиоды с "обычной" яркостью имеют цвет корпуса такой же, как и цвет своего излучения. У ультраярких и сверхярких светодиодов цвет корпуса зачастую прозрачный.

Чтобы повысить яркость светодиода устанавливают в один корпус несколько кристаллов одного цвета (чаще всего 4).

· Важной характеристикой, влияющей на яркость, является угол излучения. Если светодиод рассеянного излучения - то угол его излучения большой - 120-140 градусов. К светодиодам с узконаправленным излучением можно отнести лазеры и лазерные диоды. Другими словами, чем меньше угол излучения - тем более ярким кажется сам светодиод при неизменной мощности.

Мощность.

Как известно мощность у нас измеряется в ваттах (Вт, W)

Их мощности могут колебаться от 0,015-0,1 Вт (обычные светодиоды), до 1-5 Вт (сверхяркие) на одном кристалле. Среднестатистические ультраяркие светодиоды имеют мощность от 0,1 до 1 Вт. Их чаще всего используют в различных подсветках. Сверхмощные светодиоды имеют мощность более 1 Вт и зачатую устанавливаются на радиаторы, яркость их может быть в 20 раз выше четырех кристальных ультраярких светодиодов.

Люминесценция.

· При использовании специальных красок или материалов, которые способны отражать свет или поглощать его - это эффект люминесценции или флюоресценции. Такой эффект усиливается при использовании в качестве подсветки ультрафиолетовых светодиодов. Они излучают очень слабый видимый свет, но для описанного выше эффекта подходят как нельзя лучше.

· Вторыми по значимости в таком эффекте могут быть фиолетовые или синие светодиоды - но это куда менее зрелищно.

Базовые особенности светодиодов.

Основными особенностями светодиодов это сила тока, протекающая через кристалл и падение напряжения. Чаще всего встречающиеся однокристальные светодиоды потребляют ток 20-25мА, (для четырехкристальных это значение может достигать 80 мА и более), а падение напряжения на них 2-2,5В. Чем больше мощность светодиода - тем больший ток он потребляет.

Цветовая характеристика	Длина волны	Напряжение
Инфракрасные	от 760 нм	1.9 В
Красные	610 - 760 нм	от 1.6 до 2.03 В
Оранжевые	590 - 610 нм	от 2.03 до 2.1 В
Желтые	570 - 590 нм	от 2.1 до 2.2 В
Зеленые	500 - 570 нм	от 2.2 до 3.5 В
Синие	450 - 500 нм	от 2.5 до 3.7 В
Фиолетовые	400 - 450 нм	от 2.8 до 4 В
Ультрафиолетовые	до 400 нм	от 3.1 до 4.4 В
Белые	Широкий спектр	от 3 до 3.7 В

Применение и перспективы

· Cветодиодное освещение целесообразно применять в тех случаях, где требуется высокая надежность, где обслуживание световой установки слишком дорого и требует спецтехники или работ альпинистов, где нужно применять цветодинамические решения, где требуется энергоэффективное решение, например при питании от разнообразных генераторов.

· Светодиодные светильники идеально подойдут для неяркой, но эффектной подсветки. Этот конкретный пример по степени потребления электроэнергии на 90% экономичнее самых маленьких 15Вт галогеновых лампочек.

· Каждый год светоотдача и эффективность светодиодов увеличивается на 30-50%. По состоянию на 2008 год светодиодные светильники уже чаще ламп применяются в архитектурном, декоративном, ландшафтном, подводном освещении, праздничной иллюминации, шоу-бизнесе, а также в специальных приложениях - медицине и растениеводстве, например.

· В уличном, промышленном, бытовом освещении.

· В качестве индикаторов, в виде одиночных светодиодов (например индикатор включения на панели прибора) так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например цифры на часах)

· Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют кластерами светодиодов, светодиодными кластерами, или просто кластерами.

· В оптопарах.

· Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах.

· Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интранет).

· В светодиодных дорожных знаках.



Вывод

Экономичность.

При протекании тока через светодиод, свет излучается намного интенсивнее, чем в других источниках (примерно в 2-5 раз) при таких же значениях потребления. Проще говоря, светодиод светит ярче всех остальных ламп. светодиод полупроводниковый дырочный долговечность

Оптическое преимущество светодиодов в том, что свет излучается в одном направлении. В обычном светильнике используется отражатель, поглощающий часть света, и только 60-70% распространяется в нужном направлении.

Долговечность и надежность светодиода.

Светодиод (при должном охлаждении) мало нагревается, что делает его незаменимым для широкого круга использования. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, в нем нет хрупких нитей накаливания и стеклянных колбочек, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 -- 10 раз больше, чем у энергосберегающей лампы. Наконец, светодиод -- низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Качество света. В светодиоде, как ни в каком другом источнике света, наблюдается наиболее высокий коэффициент цветопередачи.

В обозримом будущем скорее всего светодиоды вытеснят лампы в дежурном освещении мест общественного пользования - подъездах жилых домов, световых указателях и т.д. А также на транспорте - в самолетах, поездах, автомобилях. А по мере развития технологии и удешевления производства, дело уже доходит до ночного освещения автомобильных дорог и улиц. Все это даст существенную экономию энергоресурсов в национальных масштабах.



Список литературы

· http://bse.sci-lib.com.

· http://lenta.ru/news.ф

· О. В. Лосев -- изобретатель кристадина и светодиода.

· Википедия.

· Применение сверхъярких светодиодов.

· Эволюция светодиодов.

· Славяна Румянцева "Выход в свет".

· Коган Л.М. "Полупроводниковые излучающие диоды".

· Берг А.,Дин П. "Светодиоды".

Размещено на Allbest.ru

...