Принцип действия излучающих диодов

Излучающий диод (ИД) представляет собой полупроводниковый, электрически управляемый элемент.

Электрические и излучательные свойства ИД зависят от механизма переноса носителей и законов излучательной и безизлучательной рекомбинации в полупроводниках.

В основе принципа действия ИД лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого может лежать в видимой или невидимой части спектра. Излучающая структура представляет собой электронно-дырочный переход.

При подаче на p-n переход прямого смещения начинается инжекция электронов из эмиттерной области в базовую и дырок из базовой области в эмиттерную. Обычно p-n переход изготавливается несимметричным, и область эмиттера легирована гораздо сильнее области базы.

Прямой ток, текущий через переход складывается из токов электронов и дырок, которые и определяют число актов излучательной (в p -области) и безизлучательной (в n -области) рекомбинации. В базовую область дополнительно вводят нейтральную примесь, например кислород или азот. Это не приводит к образованию в полупроводнике дополнительных носителей заряда, но способствует генерации излучения.

В соответствии с квантовой теорией, возбужденный электрон, инжектированный в базовую область, рекомбинируя с дыркой, испускает квант энергии излучения – фотон.

При этом максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации, равна ширине запрещенной зоны полупроводника:

;

l₁=1,24/DЕ_3.

Следует отметить, что излучательная рекомбинация может протекать и между примесными уровнями. Вводя в полупроводник примеси различного вида с различной D E_{пр ,} можно в некоторых пределах изменять спектр излучения. Излучательная способность светодиодов характеризуется квантовой эффективностью.

Внутренняя квантовая эффективность – h _вн – определяется как отношение числа рожденных в базе фотонов к числу инжектированных в неё носителей:

.

Для практических целей излучательную способность светодиода удобнее характеризовать внешней квантовой эффективностью – h_внеш. Она определяется как отношение числа фотонов, испускаемых излучающим диодом во внешнюю среду к полному количеству носителей заряда протекающих через него:

,

где g – коэффициент инжекции p-n перехода (g=I_п/I);K_опт – коэффициент вывода излучения из ИД через его оптическую систему.

Введение коэффициента K_опт связано с тем, что часть фотонов, рожденных в базе, поглощается по пути к оптической поверхности диода, а часть из них отражается от поверхности раздела полупроводник – внешняя среда. Следует отметить, что К_опт определяется только конструкцией диода и не зависит от его электрических параметров.

Для плоских конструкций светодиодов h_внеш£1,5…2 %, а для сферических – h_внеш£15…30 %.