Diode electroluminiscente

1.Introducere

Dioda electroluminiscenta(LED-light emitting diode) este o dioda semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a jonctiuni p-n. Efectul este o formă de electroluminescenţă. Un LED este o sursa de lumina pe o suprafata mica(mai putin de 1 mm2) adesea cu un sistem optic adaugat pe cip pentru a da o forma radiatiei si a ajuta in reflexie.

Culoarea luminii emise depinde de compozitia si conditiile materialului semiconductor folosit,si poate fi infrarosu,vizibil sau ultraviolet.De altfel,in afara luminarii,aplicatii interesante includ folosirea LEDurilor UV pentru sterilizarea apei si dezinfectia dispozitivelor,si ca o sursa de lumina mai mare pentru a spori fotosinteza plantelor.

2.Fenomene fizice si materiale

2.1.Electroluminiscenta jonctiunii p-n

Electroluminiscenţa în solide este un fenomen cunoscut de mulţi ani şi studiat în profunzime. Între numeroasele tipuri de elctroluminiscenţă cunoscute, unul a deschis un domeniu complet nou al tehnologiei: electroluminiscenţa de injecţie a joncţiunii p-n. Emisia de lumină a unei joncţiuni p-n a fost observată pentru prima oară de Lossew în 1923. Mai târziu (circa 1962) s-a constatat că se pot obţine niveluri relativ mari de energie luminoasă din joncţiuni p-n de arseniură de galiu (GaAs). Din 1962, un program internaţional de proporţii a fost orientat spre producerea unui dispozitiv electroluminiscent emiţător de lumină,cu avantajele :

-curenţi şi tensiuni mici de alimentare;

-precizia de determinare a ariei luminoase specifică proceselor litografice implicate.

-viteza mare de comutaţie cu care trebuia să poată fi comandat dispozitivul.

2.2Modelul de benzi energetice a jonctiunii p-n

În materialele semiconductoare, ca de altfel în toate solidele cristaline, electronii pot ocupa doar anumite nivele energetice.Banda de conductie si banda de valenta sunt nivelele energetice cele mai mari care pot fi ocupate de electroni in materialele semiconductoare pure. Nivelul inferior al benzii de conducţie şi nivelul superior al benzii de valenţă sunt separate de un interval energetic (EG) denumit bandă interzisă. În materialele semiconductoare pure, acest interval energetic nu poate fi ocupat de electroni.

Este posibil, însă, să se introducă impurităţi în semiconductor, generându-se astfel nivele energetice în interiorul benzii interzise. Impurităţile care cedează electroni în banda de conducţie sunt denumite donori şi semiconductorul rezultat este de tip n. Impurităţile care acceptă electroni din banda de valenţă generând acolo goluri sunt denumite acceptori şi semiconductorul rezultat este de tip p.

O joncţiune p-n se poate forma într-un material semiconductor prin doparea unei regiuni cu atomi donori şi a regiunii adiacente cu atomi acceptori. În această situaţie, electronii şi golurile se vor deplasa traversând joncţiunea în sensuri contrare, până când se va ajunge la o stare de echilibru. Aceasta va duce la apariţia unei bariere de potenţial, EB, de-a lungul joncţiunii.. Această barieră de potenţial va face dificilă traversarea în continuare a joncţiunii de către purtătorii de sarcină.

Dacă însă se polarizează direct joncţiunea (potenţial mai mare, pozitiv, aplicat regiunii p şi mai mic, negativ, aplicat regiunii n), procesul acesta de traversare a barierei de potenţial este întreţinut. Fluxul de purtători (în ambele sensuri – de aceea materialul se numeşte bipolar) se menţine pe toată durata polarizării joncţiunii. Recombinările electronilor şi a golurilor (fig. 2.2) care au loc în mod continuu generează energie sub formă de fononi. Fononii sunt cuante de energie emise de recombinările din siliciu (Si), energia rezultată fiind insuficientă pentru eliberarea de fotoni. La siliciu, energia eliberată în procesele de recombinare se transferă reţelei cristaline sub formă de vibraţii, adică se transformă în căldură.

Fig. 2.2. Deplasarea şi recombinarea purtătorilor de sarcină într-o joncţiune p-n polarizată direct.

În arseniura de galiu (GaAs), ca şi în restul materialelor fotoemisive, energia eliberată la recombinarea electron-gol (aproximativ EG) este suficientă eliberării de fotoni şi, potrivit modelului descris, procesul este întreţinut atât timp cât polarizarea directă este menţinută. De aici durata de viaţă considerabilă a diodelor electroluminiscente.

2.3Materiale fotoemisive cu emisie directa si indirecta

Materialele cum sunt GaAs şi compoundul (aliajul) de GaAsP se caracterizează prin recombinări radiative, realizate prin tranziţii directe. Când un electron din banda de conducţie ocupă un gol din banda de valenţă, este emis un foton, o cuantă de energie şi “distanţa” (diferenţa energetică) parcursă de electronul dezexcitat spontan este aproximativ egală cu lărgimea benzii interzise E1 = EG (fig. 2.4.a).

Cum lărgimea benzii interzise este alta pentru fiecare material, este natural ca să se schimbe frecvenţa (lungimea de undă) a fotonului emis, adică culoarea radiaţiei emise pentru fiecare material. Culoarea corespunde frecvenţei dominante din spectrul radiat.

Materialele, ca de exemplu GaP, se caracterizează prin tranziţii indirecte ale electronilor din banda de valenţă în banda de conducţie, adică procesul recombinării este fragmentat în doi timpi (fig. 2.4.b). Pe seama impurităţilor dopante se creează în modelul energetic un nivel intermediar (de captare) situat între banda de conducţie şi banda de valenţă, în zona interzisă. Fizic, îi corespund centre de recombinare (“trapping-centers” – capcane) în materialul p, numite centre izo-electronice. Ele funcţionează ca şi capcane de electroni şi pun împreună electronii care se dezexcită spontan din banda de conducţie pe nivelul intermediar cu golurile prezente în centrele de captare (şi golurile sunt captate în capcană, numai că golurile sunt luate din banda de valenţă). Efectul este formarea de excitoni – se formează o pereche de purtători electron-gol care gravitează unul în jurul celuilalt, la fel ca un electron în jurul unui nucleu pozitiv

Materialele cu tranziţie indirectă permit un mai mare grad de libertate în alegerea lui E2, cu scopul de a genera aproape orice lungime de undă. Doar tranziţia de pe nivelul intermediar în banda de valenţă este o tranziţie radiativă şi are loc cu emisia unui foton (fig. 2.4.b).

Fig. 2.4. Procesul de recombinare al purtătorilor de sarcină la: a. materiale cu tranziţie directă;

b. materiale cu tranziţie indirectă

Diodele electroluminiscente comercializate în prezent folosesc GaAs, GaP, compoundul ternar GaAs60P40 şi compoundurile cu aluminiu.

În tabelul următor sunt date principalele caracteristici ale materialelor electroluminiscente folosite în fabricarea LEDurilor:

Materialul Banda interzisă

EG [eV] Banda

radiată

[nm] Centrul

- 0[nm]

Culoarea Tipul tranziţiei

GaAs 1,4 900 IR Directă

GaAsP 1,9 640 … 700 650

610 roşu

galben Directă

GaP 2,2 630 … 790

520 … 570 690

560 roşu

verde Indirectă

GaAlAs >2 650 … 700 670 roşu

AlGaAs >2 838 … 844 840 IR

În cazul materialelor care nu s-au dovedit utile în optoelectronică, lungimile de undă cad în afara spectrului vizibil (400 - 700nm) şi chiar al celui optic.

2.4.Calculul lungimii de undă radiate de un material fotoemisiv

Relaţia dintre lungimea de undă şi frecvenţa radiaţiei este:

. (2.1)

Relaţia dintre lungimea de undă şi intervalul energetic E ce caracterizează tranziţia este:

. (2.2)

De aici rezultă lungimea de undă -:

, (2.3)

unde: c este viteza luminii în vid iar h este constanta lui Plank.

Folosind unităţile de măsură standard

(2.4)

şi aplicând conversiile aferente:

(2.5)

(2.6)

se obţine o formulă practică pentru a determina lungimea de undă a radiaţiei emise, în nanometri, în funcţie de intervalul energeticE :

(2.7)

3.Elemente constructive caracteristice ale LEDurilor

Cele câteva elemente tehnologice care reprezintă proprietăţi specifice LEDurilor, independente de producător sau anul fabricaţiei. Majoritatea LEDurilor însă, se fabrică, în prezent, în arii sau fac parte din afişaje integrate împreună cu optica şi driverele lor.