Как работает светодиод?

Явление радиации светодиода связано с механизмом лучистой рекомбинации в полупроводнике. При пропускании электрического тока через p-​n переход, носители заряда (дырки с уровня p, а электроны с уровня n) рекомбинируют с излучением. (Рисунок 2.1). Электролюминессентный процесс в диодах может достичь чёткости ряда даже 50%. В случае перехода зона-​зона энергия излучения имеет ценность ширины запрещённой зоны. Длина эмитированной волны может быть посчитана с формулы:

Есть два вида полупроводников:

  • Собственный полупроводник — чистый полупроводник без примесей, а тоесть посторонних атомов в кристале. В таком полупроводнике есть только одна возможность транспортировки электрического заряда — электрону должна быть доставлена энергия (например, с помощью подогрева), превышающая энергию запрещённой зоны, чтобы он мог оказаться в зоне проводимости. В валентной зоне появляются так называемые дырки, являющиеся дополнительными носителями заряда (электроны являются отрицательными носителями).
  • Компенсированный полупроводник — основанный на намеренном введении в кристалическую сеть других атомов, модифицируя его свойства. Существуют два вида примесей: акцепторы и доноры.

Акцепторы имеют 3 валентных электрона, именно поэтому на 1 меньше чем кристал, в котором они используются. Для того чтобы заполнить четвёртую связь, электрон берётся с соседнего атомы, создавая дырки. Такой полупроводник называется акцептором (тип p).

Доноры имеют 5 валентных электронов, а тоесть на один больше чем кристал, в котором они используются. Четыре электрона создают связь с кристалической сетью, однако, пятый становится свободным носителем. Такой полупроводник называется донором (тип n).

В результате смешивания, к полосному образцу вводятся новые энергетические уровни и разные цвета света. Лучистая рекомбинация может происходить в несколько способов:

  • рекомбинация зона-​зона — электрон с зоны проводимости рекомбинирует с дыркой с валентной зоны — создаётся фотон с энергией равной энергии энергетической зоны
  • рекомбинация через поверхностные уровни акцепторов — электрон с зоны проводимости рекомбинирует с дыркой с уровня акцептора — создаётся фотон с маленьким количеством энергии
  • рекомбинация через поверхностные уровни доноров — электрон с уровня доноров рекомбинирует с дыркой с валентной зоны — создаётся фотон
  • рекомбинация донор-​акцептор — электрон с уровня доноров рекомбинирует с отверстием с уровня акцепторов
  • рекомбинация через глубокие уровни — энергия фотона в этом случае является значительно более маленькой по сравнению с ценностью энергетической зоны