Tehnologia Diodelor Electroluminoscente(led)

LED (light-emitting diode)

Tehnologia diodelor electroluminoscente(LED)

Un LED este o sursă de lumină mică, de cele mai multe ori însoțită de un circuit electric ce permite modularea formei radiației luminoase. De cele mai multe ori acestea sunt utilizate ca indicatori în cadrul dispozitivelor electronice, dar din ce în ce mai mult au început să fie utilizate în aplicații de putere ca surse de iluminare.Culoarea luminii emise depinde de compoziția și de starea materialului semiconductor folosit, și poate fi în spectrul infraroșu, vizibil sau ultraviolet. Pe lângă iluminare, LED-urile sunt folosite din ce în ce mai des într-o serie mare de dispozitive electronice.

Electroluminescența a fost descoperită în anul 1907 de către H. J. Round, folosind un cristal de carbură de siliciu și un detector primitiv dintr-un metal semiconductor. Rusul Oleg Vladimirovich Losev a fost primul care a creat primul LED prin anii 1920. Cercetarea sa a făcut înconjurul lumii, însă nu s-a găsit nici o întrebuințare a acesteia timp de câteva decenii. În anul 1961, Bob Biar și Gary Pittman, au descoperit că aplicând curent unui aliaj din galiu si arsen, acesta emite o radiație infraroșie. Primul LED cu emisie în spectrul vizibil (roșu) a fost realizat în anul 1962 de către Nick Holonyak, când lucra la General Electric Company . Un fost student al acestuia, M. George Craford, a inventat primul LED de culoare galbenă și a îmbunătățit factorul de iluminare al Led-urilor roșu și roșu -portocaliu de circa zece ori în anul 1972. Până în 1968 LED-urile vizibile și cele infraroșii costau foarte mult, aproape 200 de dolari și nu puteau fi folosite doar la aplicații minore. Prima corporație care a trecut la fabricarea LED-urilor pe scară largă a fost Monsato Corporation, realizând în 1968 LED-uri pentru indicare. Acestea au fost preluat de către compania Hewlett Packard și integrate în primele calculatoare alfanumerice. Primele LED-uri comercializate pe scară largă au fost folosite pentru înlocuirea indicatoarelor incandescente, întâi la echipamentele scumpe ca cele de laborator și de teste, apoi, mai târziu, la televizoare, radiouri, telefoane, calculatoare, chiar și ceasuri. Aceste LED-uri roșii nu puteau fi folosite decât pentru indicare deoarece emisia de lumină nu era suficientă pentru iluminarea unei suprafețe. În decursul anilor s-au descoperit și alte culori ale LED-urilor, cu capacități mai mari de iluminare. Primul LED cu capacitate mare de iluminare a fost realizat de cercetătorul Shuji Nakamura în anul 1993 dintr-un aliaj de InGaN. Acesta a fost premiat în anul 2006 cu Milennium Technology Prize pentru invenția sa

Diagrama de benzi energetice

Materialele sunt formate din atomi, iar în interiorul acestora se află electroni care se invert pe orbite stationare în jurul unui nucleu. Fiecare orbită corespunde unei anumite valori pentru energia electronului, ceea ce înseamnă că un atom posedă doar nivele discrete de energie, ca în Figura. 2.1.

Semiconductorii sunt materiale ce constau din atomi strîns legați între ei în cadrul unei rețele cristaline. În fiecare atom există mulți electroni, dar propietățile semiconductorului sunt date doar de electronii care se află în atomi pe cele mai exterioare orbite. Nivele energetice posibile sunt tot discrete dar sunt atît de apropiate între ele încît sunt reprezentate sub formă de benzi de energie în loc de o mulțime de nivele separate. Aceste benzi sunt private ca niște regiuni continue de energie, dar dacă am avea o lupă specială ca să privim în interiorul lor, am putea vedea nivelele discrete care le compun, Figura. 2.2

În semiconductori se disting două benzi energetice: banda de valență (de energii joase) și banda de conducție (de energii mai mari). Ele sunt separate printr-o bandă interzisă, Eg ,

în care nu există nici un nivel energetic permis (adică nu poate exista nici un electron). Prin urmare electronii pot fi ori în banda de valență, ori în banda de conducție, dar nu pot fi între ele.

Dacă temperatura este zero absolut și nu este aplicat nici un cîmp electric exterior, toți electronii sunt concentrați în banda de valență și nu se află nici un electron în banda de conduc ție. Aceasta deoarece nici un electron nu posedă suficientă energie suplimentară ca să sară peste banda interzisă. Dacă este furnizat ă electronilor din banda de valență energie din exterior – fie prin temperatură, fie printr- un cîmp electric extern – atunci unii dintre ei vor primi suficientă energie pentru a sări peste banda interzisă și vor ocupa nivele energetice în banda de conducție. Spunem ca acești electroni sunt "excitați". Acești electroni excitați lasă goluri (echivalent cu sarcini electrice pozitive) în banda de valență.

Radiația luminoasă și banzile de energie

Cînd un electron cade de pe un nivel energetic superior pe unul inferior, el eliberează o cuantă de energie numită foton. Relația dintre variația de energie, ∆E, energia fotonului, Ep și lungimea de undă este:

∆E = Ep = hc λ

Această idee se păstrază și pentru un semiconductor. Dacă un electron excitat cade din banda de conducție în banda de valență, este eliberat un foton a cărui energie, Ep , este

mai mare sau egală cu banda interzisă, Eg . Deoarece la procesul de radiație pot participa

mai multe nivele energetice din banda de conducție și banda de valență, lungimile de undă radiate λi pot fi multiple. Prin urmare putem scrie Ep ≥ Eg , sau sub o altă formă

λi ≤ hcEg (dacă Eg este măsurat în eV și λ în nm, atunci λi ≤1248Eg ). Rezultatul

acestei radiații multivalente este un spectru larg, ∆λ, a luminii emise de un semiconductor, Figura 3

Figura. 2.3

Radiația luminoasă și joncțiune p-n

Cind un semiconductor de tip n este pus în contact cu unul de tip p, se formează o jonctiune p-n. La frontiera joncț iunii, electronii difuzează din partea n în partea p și se recombină cu golurile de aici și, în același timp, golurile din partea p difuzează în partea n și se recombină cu electronii de aici. În consecință se formează o regiune s ărăcită de purt ători, în care nu există nici electroni liberi, nici goluri libere. Ionii pozitivi din partea n și cei negativi din partea p a acestei regiuni, rămin necompensați ceea ce determină apariția unui cîmp electric intern numit potențial de contact și descris cantitativ prin tensiunea de sărăcire VD , Figura.2.4

Lucrul cel mai important de reținut este că: recombinarea electron-gol eliberează o cuantă de energie – un foton. Prin urmare, pentru a face un semiconductor să radieze este necesar să susținem recombinarea electron-gol. Dar tensiunea de sărăcire împiedică electronii și golurile de a intra în regiunea săr ăcită. Prin urmare trebuie furnizată energie din exterior pentru a învinge această barieră a tensiunii de sărăcire. Această tensiunea exterioară, numită tensiune directă de polarizare, V, este arătată în Figura. 2.5; ea trebuie să fie mai mare decît VD

Figura. 2.5

Pentru a obține o emisie permanentă de lumină, trebuie să aibă loc următorul proces dinamic: electronii mobili din partea n, atrași de terminalul pozitiv al tensiunii V, intră în regiunea să racită. Simultan, golurile mobile din regiunea p, atrase de terminalul negativ al tensiunii V, intră in aceeași regiune săr ăcită. Recombinarea electron-gol din interiorul regiunii sărăcite produce lumina. Sarcinile electrice se refac din sursa de alimentare.

Principiul de funcționare al unui LED

Un LED este o diodă semiconductoare care funcționează exact pe principiul prezentat mai sus al emisiei permanente de lumină. Acest concept este demonstrat de circuitul din Figura. 2.6. Cei familiarizați cu polarizarea directă a unei diode vor avea sigur următoarea observație: recombinarea electron-gol este un proces care are loc în orice diodă sau tranzistor. Care este diferența dintre un LED și o diodă obișnuită.

Figura. 2.6

Diferența este că în diodele obișnuite, această recombinare eliberează energie sub formă de că ldură – nu sub formă de lumină (adică într-un alt domeniu al spectrului). Într-un LED, aceste recombinări eliberează energie sub formă de lumină. Recombinarea generatoare de caldură se numește neradiativă, în timp ce recombinarea generatoare de lumina se numește radiativ ă. În realitate, în orice diodă au loc ambele tipuri de recombinări; cînd majoritatea recombinărilor sunt radiative, avem un LED.

Curentul direct injecteaza electroni în regiunea sărăcită de purtători, unde ei se recombină cu golurile în mod radiativ sau neradiativ. Prin urmare, recombinările neradiative "consumă" din electronii excitați necesari recombinării radiative, ceea ce scade eficiența procesului. Acest fapt este caracterizat prin eficiența cuantică internă, ηint , parametru

care arată ce fracție din numărut total de electroni excitați produce fotoni. Explicațiile de mai sus justifică caracteristica intrare-ieșire a unui LED prezentată în Figura. 2.7. Raționamentul de mai sus poate fi formalizat astfel: puterea luminoasă, P, este energia per secundă, adică numărul de fotoni înmulțit cu energia unui foton, Ep . Numărul de fotoni este egal cu numărul de electroni injectați, N, înmulțit cu eficiența cuantică internă. Astfel:

P = (Nηint Ep ) t

Figura. 2.7

Pe de altă parte, numărul de electroni (N) înmulțit cu sarcina unui electron (e) , pe secundă, este intensitatea curentului electric:

I = Ne t

Deci, puterea luminoasă radiată va fi:

Dacă măsurăm Ep în electron-volți, eV, și curentul I în mA, atunci:

Exemplu

Ce putere radiază un LED dacă eficiența cuantică a sa este 1% și lungimea de undă maximă este 850 nm?

Soluție

Mai întîi trebuie să calculăm panta graficului putere funcție de curent, care este termenul

[ηint Ep (eV)].

Dacă λ = 850 nm, atunci Ep = he λ =1248 λ =1.47 eV. Deci,

[ηint Ep (eV)]= 0.0147 mW/mA.

Pentru a calcula puterea trebuie să cunoaștem curentul direct. Valorile tipice pentru un LED sunt cuprinse între 50 și 150 mA. Astfel, pentru I = 50 mA, puterea radiată este: P = 0.0147I = 0.735 mW.

Homostructuri și heterostructuri

Semiconductorii de tip n și de tip p discutați pina acum erau realizați pe același semiconductor intrinsec. Jonctiunile p-n realizate in acest fel se numesc homojoncțiuni, iar un asemenea semiconductor homostructură. Există două construcții de bază pentru un LED:

LED cu emisie de suprafață (SLED), Figura. 2.8

LED cu emisie laterală (ELED), Figura. 2.9

Figura. 2.8

Figura. 2.9

Regiunea sărăcită de purtători și zona învecinată, în care se recombină electronii cu golurile, este numită regiunea activă. Lumina produsă prin această recombinare este radiată în toate direcțiile, dar ea reușește să iasă din dispozitiv doar printr-o fereastră practicată în electrodul superior (Figura. 2.8) sau deschizătura practicata într-o margine (Figura. 2.9). Toate celelalte direcții posibile, în cazul SLED, sau direcția opusă, în cazul ELED, sunt blocate.

O homostructură are două dezavantaje principale. Primul este acela că regiunea activă este prea difuză, ceea ce reduce eficiența dispozitivului. Recombinările electron-gol au loc pe o arie largă, situație care impune o densitate mare de current pentru a susține puterea radiate la nivelul dorit. Al doilea este că fascicolul de lumină radiat este prea larg, ceea ce face extrem de inefficient cuplajul luminii într -o fibră optică. Aceste două motive fac ca, practice, să nu se folosească homostructurile în constructia LED-urilor.

LED-urile comercializate sunt realizate pe heterostructuri, adică dioda este realizată pe mai mulți semiconductori, fiecare avînd o banda interzisă diferită. În Figura. 2.10 este prezentată o heterostructură făcuta din doi semiconductori diferiți.

Figura. 2.10