Dioda elektroluminescencyjna (LED ang. Light Emitting Diode)

Diodę elektroluminescyjną zaliczamy do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitują one promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni . Pojawiła się w latach sześćdziesiątych (1962 wynalazca: amerykaniński inżynier Nick Holonyak). Jej działanie opiera się zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek-galowy (GaAs) i między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa jest to parametr określający udział przejść rekombinacyjnych w wyniku których generowane są fotony do ilości nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n, przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza ).

przy czym N_fot - całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego; N_nośo - całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza; P_prom - moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika; h - stała Plancka; v - częstotliwość generowanego promieniowania; I - prąd elektryczny doprowadzony do diody; q - ładunek elektronu.

W Krzemie i Germanie dominują przejścia skośne.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie Led mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest one spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to: pochłanianie wewnętrzne i całkowite wewnętrznego odbicia. Długość fali generowanego promieniowania:

przy czym: W_g = W_c - W_v - szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja, c - prędkość światła, h - stała Plancka.

Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej n_qz/n_nw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa n_qw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.

Przekroje diod elektroluminescencyjnych a) płaskiej; b) półsferycznej

Na rysunku a) przekrój diody elektroluminescencyjnej płaskiej, a na rysunku b) półsferycznej. Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne

q_kr= arcsin (1/n*)

przy czym n* jest współczynnikiem załamania.

Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji exp[-a(l)x], gdzie a(l) jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, x zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.

Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku omawianej diody płaskiej określa zależność:

przy czym: P - moc wejściowa elektryczna; 4n*/(n*+1)² - współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza; f(l) - strumień fotonów; R - współczynnik odbicia od kontaktu tylnego; a_n, p - współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody; x_n ,p- grubość obszaru n lub p diody.

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.

Charakterystyki spektralne diod elektroluminescencyjnych z GaAs pomierzone w temperaturach 77 K i 295 K.

Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło o długości fali l = 0,65 mm.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm - kolor niebieski do 950 nm - bliska podczerwień.

Charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. GaAs, GaP, GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zależy od materiału półprzewodnikowego są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.

Materiał	Barwa promieniowania
GaAs GaP GaAs1-xPx AlxGa1-xAs	podczerwień czerwna, zielona, żółta czerwona, pomarańczowa, zółta czerwona, podczerwień

Charakterystyka prądowo - napięciowe dioy LED.

Średni prąd przewodzenia I_F nie powinien przekraczać 20 - 100 mA, zależnie od typu diody i ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora.

Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED.

Zalety diod elektroluminescencyjnych:

• mały pobór prądu;

• mała wartość napięcia zasilającego;

• duża sprawność;

• mała moc strat;

• małe rozmiary;

• duża trwałość;

• duża wartość luminacji;

Diody elektroluminescencyjne, które emitują promieniowanie podczerwone wykorzystuje się w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania.