Jak działa LED?

Zjawisko promieniowania LED jest związane z mechanizmem rekombinacji promienistej w półprzewodniku. W trakcie przepływu prądu przez złącze p-​n nośniki ładunku są do niego wstrzykiwane (dziury z obszaru p, a elektrony z obszaru n) i tam rekombinują promieniście (Rys.2.1). Proces elektroluminescencyjny w diodach może osiągać sprawności rzędu nawet 50%. W przypadku rekombinacji pasmo-​pasmo energia promieniowania ma wartość szerokości przerwy zabronionej Wg. Długość emitowanej fali można więc wyznaczyć ze wzoru:Wzorgdzie c oznacza prędkość światła i h stałą Planck’a.

Rys2 1Rys. 2.1 Proces rekombinacji promienistej w diodzie elektroluminescencyjnej

Rozróżnia się dwa rodzaje półprzewodników:

  • Półprzewodnik samoistny - monokryształ pozbawiony domieszek, czyli obcych atomów w sieci krystalicznej. W półprzewodniku takim występuje tylko jedna możliwość transportu ładunku elektrycznego – elektronowi musi zostać dostarczona energia (np. przez podgrzanie), większa od energii przerwy zabronionej, by mógł znaleźć się w paśmie przewodnictwa. W miejscach opuszczonych przez elektrony, w paśmie walencyjnym, powstają tak zwane dziury, będące, najprościej tłumacząc, dodatnimi nośnikami ładunku (elektrony są oczywiście nośnikami ujemnymi).
  • Półprzewodnik domieszkowany - polegający na celowym wprowadzeniu w sieć krystaliczną innych atomów, modyfikując jego właściwości. Rozróżniane są dwa rodzaje domieszek: akceptorowe i donorowe.

Domieszki akceptorowe posiadają trzy elektrony walencyjne, a więc o jeden mniej niż kryształ, w którym są stosowane. By wypełnić czwarte wiązanie elektron pobierany jest z sąsiedniego atomu, powodując powstanie dziury. Taki półprzewodnik nazywany jest akceptorowym (typu p).
Domieszki donorowe natomiast posiadają pięć elektronów walencyjnych, a więc o jeden więcej niż kryształ, w którym są stosowane. Cztery elektrony tworzą wiązanie z siecią krystaliczną, piąty natomiast staje się swobodnym nośnikiem. Taki półprzewodnik nazywany jest donorowym (typu n).
W wyniku domieszkowania do modelu pasmowego wprowadzone zostają nowe poziomy energetyczne, a tym samym i zróżnicowane barwy światła
Rekombinacja promienista może więc zachodzić na kilka sposobów:

  • rekombinacja pasmo-​pasmo - elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje z dziurą z pasma walencyjnego — wytwarzany jest foton o energii przerwy energetycznej Wg
  • rekombinacja przez płytkie poziomy akceptorowe - elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje z dziurą z poziomu akceptorowego – wytwarzany jest foton o energii mniejszej niż Wg
  • rekombinacja przez płytkie poziomy donorowe - elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziurą z pasma walencyjnego – wytwarzany jest foton
  • rekombinacja donor-​akceptor - elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziurą z poziomu akceptorowego
  • rekombinacja poprzez głębokie poziomy - energia fotonu w tym przypadku jest znacznie mniejsza od wartości przerwy energetycznej

W tabeli przedstawione są wybrane materiały domieszek stosowane do produkcji LED: ich szerokości przerw zabronionych i wynikające z tego barwy emitowanego światła.

Rys2 2Rys. 2.2 Zestawienie diod w zależności od zastosowanych domieszek.