Светодиод – это специальный диод. Как и обычные диоды, светодиоды состоят из полупроводниковых кристаллов. Эти полупроводниковые материалы предварительно имплантируются или легируются для создания p- и n-структур.
Как и в других диодах, ток в светодиоде может легко течь от p-полюса (анода) к n-полюсу (катоду), но не в обратном направлении. Два разных носителя: дырки и электроны перетекают от электродов к p- и n-структурам под разными электродными напряжениями. Когда дырки и электроны встречаются и рекомбинируют, электроны переходят на более низкий энергетический уровень и выделяют энергию в виде фотонов (фотоны — это то, что мы часто называем светом).
Длина волны (цвет) излучаемого им света определяется энергией запрещенной зоны полупроводниковых материалов, составляющих p- и n-структуры.
Поскольку кремний и германий являются материалами с непрямой запрещенной зоной, при комнатной температуре рекомбинация электронов и дырок в этих материалах представляет собой безызлучательный переход. Такие переходы не выделяют фотоны, а преобразуют энергию в тепловую. Следовательно, кремниевые и германиевые диоды не могут излучать свет (они будут излучать свет при очень низких удельных температурах, которые необходимо обнаруживать под особым углом, и яркость света не очевидна).
Все материалы, используемые в светоизлучающих диодах, представляют собой материалы с прямой запрещенной зоной, поэтому энергия выделяется в виде фотонов. Эти энергии запрещенной зоны соответствуют энергии света в ближнем инфракрасном, видимом или ближнем ультрафиолетовом диапазонах.
Эта модель имитирует светодиод, излучающий свет в инфракрасной части электромагнитного спектра.
На ранних стадиях разработки светодиоды с использованием арсенида галлия (GaAs) могли излучать только инфракрасный или красный свет. С развитием материаловедения недавно разработанные светодиоды могут излучать световые волны все более и более высоких частот. Сегодня можно изготавливать светодиоды различных цветов.
Диоды обычно изготавливаются на подложке N-типа, на поверхность которой нанесен слой полупроводника P-типа и соединен между собой электродами. Подложки Р-типа встречаются реже, но тоже используются. Во многих коммерческих светодиодах, особенно GaN/InGaN, также используются сапфировые подложки.
Большинство материалов, используемых для изготовления светодиодов, имеют очень высокие показатели преломления. Это означает, что большая часть световых волн отражается обратно в материал на границе с воздухом. Таким образом, извлечение световых волн является важной темой для светодиодов, и этой теме посвящено множество исследований и разработок.
Основное отличие светодиодов (светоизлучающих диодов) от обычных диодов заключается в их материалах и структуре, что приводит к значительным различиям в их эффективности преобразования электрической энергии в световую. Вот несколько ключевых моментов, объясняющих, почему светодиоды могут излучать свет, а обычные диоды — нет:
Различные материалы:В светодиодах используются полупроводниковые материалы III-V, такие как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN) и т. д. Эти материалы имеют прямую запрещенную зону, что позволяет электронам напрямую прыгать и испускать фотоны (свет). В обычных диодах обычно используются кремний или германий, которые имеют непрямую запрещенную зону, и скачок электронов в основном происходит в виде выделения тепловой энергии, а не света.
Другая структура:Структура светодиодов разработана для оптимизации генерации и излучения света. В светодиоды обычно добавляются определенные легирующие примеси и слоистые структуры в pn-переходе, чтобы способствовать генерации и высвобождению фотонов. Обычные диоды предназначены для оптимизации функции выпрямления тока и не ориентированы на генерацию света.
Энергетическая запрещенная зона:Материал светодиода имеет большую ширину запрещенной зоны, а это означает, что энергия, выделяемая электронами во время перехода, достаточно высока, чтобы проявиться в виде света. Энергия запрещенной зоны материала обычных диодов мала, и при переходе электроны в основном выделяются в виде тепла.
Механизм люминесценции:Когда pn-переход светодиода находится под прямым смещением, электроны перемещаются из n-области в p-область, рекомбинируют с дырками и выделяют энергию в виде фотонов для генерации света. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит преимущественно в форме безызлучательной рекомбинации, т. е. энергия выделяется в виде тепла.
Эти различия позволяют светодиодам излучать свет при работе, в то время как обычные диоды не могут.
Эта статья взята из Интернета, авторские права принадлежат первоначальному автору.
Время публикации: 01 августа 2024 г.