Физика работы светодиода

Новиков М.Г.
14.04.2007

Содержание

Введение

Ранее я уже затрагивал тему светодиодов, где описывал способы правильного их подключения к различным источникам тока. Это был чисто практический материал. Теперь я опишу процессы, происходящие в светодиоде на атомном уровне, которые заставляют его излучать свет.

При изучении первой главы данного материала мы постараемся обойтись без квантовой механики, чрезмерно абстрактной для лёгкого её понимания. Мы будем оперировать старыми упрощёнными понятиями. Во второй главе мы вскользь коснёмся некоторых понятий квантовой физики. В заключительной третьей главе, касающейся современных светодиодов, нам придётся уже существенно погрузиться в квантовую механику, без которой невозможно понимание работы современного светодиода. Впрочем, при всём при этом мы обойдёмся без формул.

Итак, вначале нам нужно будет знать всего лишь несколько простых вещей:

  1. Материя состоит из атомов. Во многих твёрдых телах атомы находятся упорядоченном симметричном состоянии. Такое состояние называют кристаллической решёткой, а само вещество — кристаллом.
  2. Атом — это ядро с вращающимися вокруг него на определённых орбитах электронами. Чем выше энергия электрона, тем на более высокой орбите он вращается. Не испытывая внешнего воздействия электроны стремятся выбросить часть энергии чтобы занять более устойчивые нижние орбиты.
  3. Электрон — физическая частица, входящая в состав атома, и имеющая отрицательный заряд и некоторый уровень энергии. Заряд электрона всегда постоянен. Энергия электрона, находящегося в составе атома, может принимать только определённые фиксированные значения. Движение электронов вне атома в веществе в одном направлении называют «электричеством», или электрическим током, поскольку электронами перемещаются заряды, формирующие электрический ток.
  4. Атомы разных элементов (водорода, гелия и т.п.) различаются количеством протонов в своём ядре. Протоны имеет положительный заряд, который по величине равен заряду электрона. Если отнять электрон у атома, атом станет положительно заряженным. Если добавить лишний электрон к атому, атом станет отрицательно заряженным.
  5. Электромагнитная волна — излучение, порождаемое выбросом излишка энергии электрона, переходящего с более высокого энергетического состояния на более низкое, например, при его переходе из свободного состояния на орбиту в атом. Чем больше разница в энергиях свободного состояния и орбиты, тем больше излишек энергии и, как следствие, выше частота излучённой волны. Видимый диапазон частот электромагнитных волн мы называем светом, цвет которого напрямую зависит от частоты волны.

[Вернуться в начало]

Глава 1. Простое объяснение

Принцип излучения света светодиодом достаточно прост. Внутри светодиода прижаты друг к другу два разных материала. Каждый из материалов подключен к своему выводу (ножке светодиода). Свойства одного материала обуславливают наличие в нём некоторых атомов с лишними электронами, находящимися на высоких орбитах, готовых оторваться, а свойства другого — наличие в нём атомов с недостатком электронов на низких орбитах.

Подключив материал с избытком электронов к минусу батарейки а другой — к плюсу, мы создадим разность потенциалов, в результате которой все плохо закрепленные в атомах электроны, вращающиеся на высоких орбитах, начнут отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному. Они двинуться в сторону второго материала, заполняя пустые места в его атомах, находящиеся на более низких орбитах.

Поскольку раньше электроны находились на более высоких орбитах, то они имеют большую энергию, чем им нужно в новых атомах. Поэтому переходя на более низкую орбиту они выбрасывает лишнюю энергию в виде электромагнитной волны, то есть рождают свет.

Длина излучённой электромагнитной волны зависит от величины выделившейся из электрона энергии — чем больше энергия, тем сильнее сжата волна, выше её плотность, а значит, меньше её длина, и, как следствие, «синее» излучаемый свет.

При заполнения электронами ближнего слоя атомов второго материала, приложенная разность потенциалов заставит эти электроны не изменяя более своих энергий перескакивать по атомам дальше. Таким образом электроны пройдут через весь второй материал до положительного полюса батареи. А пока они будут идти, первый слой снова заполнится пришедшими из первого материала электронами, которые снова излучат свет при снижении своих орбит и всё повторится.

[Вернуться в начало]

Глава 2. То же самое более подробно

По ходу прочтения предыдущего крайне простого объяснения у вас наверняка возникли вопросы, на которые я постараюсь ответить в этой более подробной главе. Сначала мы познакомимся с некоторыми новыми понятиями, такими как полупроводники, электронная и дырочная проводимости и т.п., а потом перейдём непосредственно к работе светодиода.

Замечу, что процессы, происходящие на атомном уровне, представлены здесь в виде общепринятых, но не совсем точных моделей. Эти модели призваны дать приблизительное понятие о том, что на самом деле происходит, и их нельзя использовать в качестве основы для построения более глубоких умозаключений. В микромире заканчивается привычная нам физика твёрдых частиц и появляется всё больше абстракций, которые на современном этапе всё труднее объяснить на пальцах в привычных чекловеку понятиях. А с помощью приближённых моделей мы имеем возможность хоть ещё немного продолжить привычную нам физику.

[Вернуться в начало]

Энергетическая структура атома

Внутри атома электрон может располагаться только на определённых, фиксированных орбитах, зависящих от его энергии. В нашей модели орбита электрона фиксируется благодаря его волновым свойствам — когда она вмещает по своей длине целое число его внутренних волн таким образом, что при каждом новом витке последующие возмущённые им волны поглощают предыдущие, то его общая энергия сохраняется и он остаётся на орбите. При гипотетических попытках отклонения энергии, электрон переходит на соответствующую новой энергии орбиту, где волны могут перестать поглащать друг друга и даже начнут интерферировать (складываться). Поскольку взаимного поглощения не происходит, они беспрепятственно излучаются наружу из атома, снижая общую энергию электрона, а значит и его орбиту, до ближайшей нижележащей орбиты, где его волны опять начнут поглащать друг друга. Утечка энергии прекратится и орбита вновь зафиксируется.

Уровни орбит (энергетические уровни) можно условно объединить в более крупные зоны. Электронам каждой зоны свойственно своё поведение.

Рассмотрим зонную структуру атомов рассматриваемых нами материалов, начиная с уровней наименьших энергий:

  1. Зона основных энергетических уровней. Электроны этой зоны расположены ближе других к ядру. Они имеют наименьшую энергию и в рассматриваемых нами процессах не участвуют.
  2. Валентная зона. Электроны именно этой зоны участвуют в электрических и химических процессах (валентные электроны). Расположены на верхних орбитах атомов.
  3. Запрещенная зона. Зона энергий, которой не обладают электроны данного вещества. Запрещенной зоны нет лишь в металлах. В диэлектриках она наибольшая. В качестве материалов для изготовления диодов (в том числе и светодиодов) применяют полупроводники. Полупроводники — это вещества с размером запрещённой зоны меньшим, чем у диэлектриков. Дальнейшее повествование будет касаться в основном полупроводников.
  4. Зона проводимости. Электроны, имеющие энергетические уровни этой зоны, не находятся на орбитах своих атомов, а беспорядочно передвигаются от атома к атому. Именно они обеспечивают высокую электропроводность металлов. Материалы, не имеющие электронов в зоне проводимости, являются диэлектриками.

[Вернуться в начало]

Ковалентная связь между атомами полупроводника

Атомы полупроводника (например, германия) связаны друг с другом валентными электронами. Связь происходит следующим образом. У германия 4 валентных электрона. Вокруг каждой пары атомов германия движутся 2 валентных электрона — по одному от каждого атома. Атомы выстраиваются так, чтобы у каждого было столько соседних атомов, сколько валентных электронов он имеет. Таким образом все валентные электроны у всех атомов получаются задействованными. Такая связь называется ковалентной.

На рисунке вы видите развернутую в плоскость модель фрагмента кристаллической решётки германия, на которой демонстрируется ковалентная связь.

Силой ковалентной связи можно объяснить существование запрещенной зоны в полупроводниках и диэлектриках. Чем больше энергии надо затратить, чтобы оторвать валентные электроны, участвующие в ковалентной связи, и отправить их в зону проводимости, тем шире запрещенная зона. Это логично. В металлах ковалентной связи нет, нет и запрещённой зоны.

[Вернуться в начало]

Электронная и дырочная проводимость

В полупроводниках при повышении температуры выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, которой становится достаточно для преодоления небольшой запрещённой зоны и перехода на уровень проводимости. В итоге, при комнатной температуре в зоне проводимости постоянно присутствует некоторое количество электронов, а в валентной зоне атомов образуется дефицит электронов (дырки).

В итоге полупроводник начинает обладать и электронной и дырочной проводимостью — электронную проводимость осуществляют электроны, свободно перемещающиеся в зоне проводимости, а дырочную — электроны в зоне валентности, способные перескакивать в дырку с соседних атомов. При этом электронная проводимость доминирует над дырочной, так как электроны зоны проводимости перемещаются свободнее, но общая электропроводность полупроводника естественно складывается из этих двух проводимостей.

[Вернуться в начало]

Примесная проводимость

Замещая у полупроводника некоторые атомы на атомы других веществ с той или иной валентностью, можно увеличить либо количество электронов в зоне проводимости, либо количество дырок в валентной зоне. Происходит это следующим образом:

  1. Электронная проводимость (проводимость n-типа). Некоторые атомы четырехвалентного германия заменяем на атомы пятивалентной сурьмы. При ковалентной связи у атомов сурьмы оказывается незадействованным пятый валентный электрон, который начинает вращаться вокруг атома сурьмы и объединённых с ним ковалентной связью атомов германия. Атом сурьмы и связанные с ним ковалентной связью атомы германия образуют для этого электрона некое ядро, и вся конструкция издалека начинает напоминать атом водорода с одним электроном. Электрон занимает энергетический уровень, который накладывается на уровень запрещенной зоны атомов германия. Уровень находится у верхнего края запрещённой зоны германия, почти у его зоны проводимости. Поэтому при комнатной температуре электроны с этого энергетического уровня легко уходят в зону проводимости. В зоне проводимости оказывается очень много электронов, и полупроводник получает хорошую электронную проводимость.
  2. Дырочная проводимость (проводимость p-типа). Некоторые атомы четырёхвалентного германия заменяем на атомы трёхвалентного индия. При ковалентной связи атому индия не хватает одного электрона, чтобы связаться с четвертым атомом германия. В результате у атома индия образуется дефицит электрона для полноценной ковалентной связи, которая ему очень важна. Чтобы занять место этого электрона в атоме индия, валентному электрону соседнего атома германия нужно совсем немного энергии. Получив её в результате теплового воздействия, он немного увеличивает свой энергетический уровень и занимает это место в ковалентной связи. Теперь его энергетический уровень в атоме индия накладывается на уровень запрещенной зоны атомов германия. Но в отличие от случая с электронной проводимостью, этот энергетический уровень находится в запрещённой зоне не у зоны проводимости, а ниже, у зоны валентности атомов германия. В результате в атомах германия в зоне валентности образуются дополнительные дырки, в которые смогут перескакивать электроны с соседних атомов. Дырок получается много, поэтому создаются условия для хорошей дырочной проводимости.

[Вернуться в начало]

Работа электронно-дырочного перехода

Теперь сложим два разных полупроводника вместе, и подключим прямое напряжение — минус к полупроводнику с электронной проводимостью, а плюс — к полупроводнику с дырочной проводимостью. Из-за разности потенциалов электроны из зоны проводимости первого полупроводника, проскакивая между атомами, устремятся в сторону второго. Достигнув его, они будут перескакивать на ждущие их атомы второго полупроводника с отсутствующими валентными электронами, и далее пойдут по цепочке этих атомов, перескакивая от одного к другому, пока не выйдут через плюсовой вывод.

В момент, когда электроны опускаются из зоны проводимости через запрещённую зону на валентные энергетические уровни атомов второго полупроводника, из электронов выделяется лишняя энергия, пропорциональная ширине запрещённой зоны. Процесс занятия электроном зоны проводимости пустого энергетического уровня в атоме называется рекомбинацией.

Как уже упоминалось выше при рассмотрении энергетической структуры атома, энергия при рекомбинации электрона выделяется из него за счёт пересечения им орбит с длиной, в которой не укладывается целое число его собственных волн (ведь электрон имеет также и собственную волновую функцию). Поэтому его собственная волна при каждом новом витке не поглощает саму себя, как это происходит на всех фиксированных орбитах, а накладывается друг на друга (интерферирует), и излучается.

[Вернуться в начало]

Работа светодиода

В случае с германием выделение электронами энергии при пересечении небольшой запрещённой зоны незначительно, и расходуется лишь на тепловое раскачивание атомов. Для того, чтобы энергия выделялась в виде электромагнитных волн (фотонов) светового диапазона, применяют полупроводники с большим размером запрещённой зоны. В этом случае при рекомбинации электрона выделяется фотон (квант электромагнитной волны) с большой энергией. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитной волны. Подбирая полупроводники с разным размером запрещённой зоны можно менять цвет излучения.

[Вернуться в начало]

Глава 3. Физика работы современных светодиодов

В современных светодиодах для повышения эффективности их работы используют сложную структуру полупроводников. Вместо обычного электронно-дырочного перехода (на основе одного полупроводника с примесями разной валентности) применяют несколько последовательных гетеропереходов (переходов между полупроводниками разных составов). В простейшем случае между двумя полупроводниками разного типа проводимости помещают тонкий слой (плёнку) полупроводника без примесей (с невыраженным типом проводимости) и с относительно меньшим размером запрещённой зоны в его атомах.

Ссылка по теме:
Свет из гетеропереходов.
http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_01/LIGHT.HTM

  Из-за различной ширины запрещённых зон этих полупроводников, тонкий центральный слой образует в себе т.н. квантовую яму для электронов.

Электроны попадают в этот полупроводник и принимают наименьший энергетический уровень его зоны проводимости, ближе к дну ямы, после чего не могут свободно проскочить дальше по зоне проводимости, ибо их энергия уже ниже энергии проводимости следующего материала. В результате они оказываются запертыми и вынуждены рекомбинировать в этой тонкой области.

Ссылка по теме:
Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое?
http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/326.html
или http://phys.unn.ru/docs/9705_080.pdf.pdf

Рекомбинация в тонком полупроводниковом слое, не имеющем примесей, даёт несколько преимуществ:

  1. За счёт уменьшения объёма, в котором происходит рекомбинация, увеличивается концентрация рекомбинирующих электронов, что уменьшает вероятность расхода энергии на тепловые колебания атомов.
  2. В результате отсутствия примесей в центральном слое, вероятность безизлучательной рекомбинации тоже уменьшается, поскольку эти самые примеси и другие дефекты атомной структуры полупроводника как раз и являются её источником.
  3. Возможность регулировать цвет толщиной слоя.

Объясню последний пункт подробнее. При толщине центрального слоя всего в несколько слоёв атомов появляется дополнительная возможность регулировать этой толщиной энергию испускаемых рекомбинирующими электронами фотонов (цвет излучения) как за счёт эффекта размерного квантования, так и за счет упругой деформации слоя. И то и другое влияет на величину расщепления энергетических уровней, о чём будет сказано ниже.

Ссылка по теме:
Полупроводниковые гетероструктуры: от классических к низкоразмерным,
или «конструктор» от Нобелевского лауреата.
http://www.scientific.ru/journal/onisch/onisch.html

Регулировка размерным квантованием заключается в следующем:

  • Если электроны заперты в ограниченном объёме (например, в атоме вещества, находясь на его орбите) то они занимают энергетические уровни таким образом, чтобы не мешать друг другу. Это значит, что на одном энергетическом уровне может находится максимум только два электрона, и то в том случае, если они имеют противоположный спин (противоположный собственный импульс). Более того, энергетические уровни могут иметь только определённые фиксированные значения.

    Внутри атома так и происходит. Но если из всех атомов вещества выйдет хотя бы по одному электрону, которые попытаются занять один и тот-же энергетический уровень в зоне проводимости, то этот уровень начнет расщепляться на несколько подуровней по числу атомов вещества. В сравнительно больших объёмах вещества энергетические уровни свободных электронов сливаются в одну большую зону, и о каком-либо квантовании энергий в зоне проводимости не может идти и речи.

    Но если же мы физически ограничим размеры вещества, то электронов с одинаковыми энергетическими уровнями будет меньше, следовательно меньше будет и расщепление. При дальнейшем уменьшении размера вещества мы будем наблюдать, как из «размазанного» энергетического спектра рождаются конкретные энергетические уровни, то есть мы видим, что энергия электронов квантуется — имеет конечную дискретность. Эффект квантования энергий при уменьшении размеров вещества называется квантово-размерным эффектом или эффектом размерного квантования.

    При толщине центрального слоя, сравнимой с длинами волн электрона, количество энергетических уровней в зоне проводимости становится небольшим. Это происходит из за того, что количество электронов одних и тех же энергетических уровней в веществе сокращается, и эти уровни перестают так сильно расщепляться. В итоге «размазанная» по всей квантовой яме энергетическая структура стягивается в ограниченные зоны, и приближаются к единичным уровням, как это происходит в отдельном атоме.

    В итоге, нижний расщеплённый уровень отдаляется от запрещённой зоны, и подтягивается к центру расщепления — энергетическому уровню единичного атома. Таким образом, разница между энергией электронов зоны проводимости и энергий свободного уровня целевого атома увеличивается. Теперь для рекомбинации потребуется больший выброс энергии электроном, а значит изменится и цвет свечения.

Регулировка упругой деформацией заключается в следующем:

  • При уменьшении толщины центрального слоя его свойства всё в большей степени начинают зависеть от влияния на его атомы атомов соседних полупроводников, сил поверхностного натяжения кристалла и т.п.. В центральном слое возникают определенные упругие деформации, в результате которых меняется расстояние между атомами, а значит, меняется ширина расщепленных энергетических уровней электронов (при сближении атомов начинает проявляться эффект, связанный с невозможностью взаимодействующих электронов находиться на одних и тех же энергетических уровнях, и они вынуждены расщепляться на ширину, пропорциональную расстоянию между атомами). Расширение расщеплённых энергетических уровней уменьшает разницу между энергией электронов зоны проводимости и энергий свободного уровня целевого атома, а это уменьшает выделяющуюся энергию что и изменяет цвет свечения.

[Вернуться в начало]

Материалы активной зоны светодиодов разных спектров свечения
 

Цвет Длина волны (нм) Материал активного слоя
Инфракрасные ≈ 760…1450 GaAs, GaAlAs(P), GaInAs(Sb | P)
Красные ≈ 670 InGaAlP, GaP, GaAsP, GaAlAs
Красно-оранжевые ≈ 635 InGaAlP, GaP
Оранжевые ≈ 620 InGaAlP, GaP
Янтарные ≈ 600 InGaAlP, GaP
Жёлтые ≈ 585 InGaAlP, GaP
Салатовые ≈ 565 InGaN, GaP
Зелёные ≈ 540 InGaN, GaP
Зелёно-синие ≈ 510 InGaN
Зелёно-синие (бирюзовые) ≈ 490 InGaN
Голубые ≈ 470 InGaN
Синие ≈ 450 InGaN
Фиолетовые ≈ 420 InGaN
Ультрафиолетовые ≈ 210…400 GaAlN, AlN

[Вернуться в начало]