DiodaElektroluminescencyjna.pdf
(
825 KB
)
Pobierz
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI i TECHNIK INFORMACYJNYCH
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa
Badanie charakterystyk spektralnych
diody elektroluminescencyjnej
Przygotowali:
Mgr Inż. Piotr Kopczyński
Dr inż. Agnieszka Mossakowska-Wyszyńska
Warszawa 2006
1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z kształtem charakterystyk spektralnych otrzymywanych przy
generacji promieniowania przez diody elektroluminescencyjne oraz powiązanie ich kształtu
z procesami rekombinacji promienistej mającymi miejsce w złączu p-n. Określenie na
podstawie zmierzonych charakterystyk parametrów charakterystycznych diod oraz rodzaju
materiału półprzewodnikowego z jakiego wykonane są diody elektroluminescencyjne.
2. Wprowadzenie
Dioda elektroluminescencyjna jest przyrządem półprzewodnikowym ze złączem p - n,
który w zależności od materiału złącza może emitować w zakresie bliskiej podczerwieni lub
widzialnym. W wyniku zachodzącej w obszarze złącza rekombinacji promienistej emitowane
są fotony o energii odpowiadającej (w przybliżeniu) wartości energii przerwy zabronionej.
2.1. Przejścia promieniste w półprzewodnikach
Procesy rekombinacji promienistej mogą przebiegać kilkoma sposobami:
−
Rekombinacja pasmo-pasmo
- elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje
bezpośrednio z dziurą z pasma walencyjnego, w wyniku czego wytwarzany jest foton
o energii równej lub większej od energii przerwy energetycznej E
G
półprzewodnika.
Rekombinacja pasmo-pasmo może być obserwowana tylko w czystych materiałach.
−
Rekombinacja przez płytkie poziomy donorowe lub akceptorowe
- elektron z pasma
przewodnictwa rekombinuje z dziurą przetrzymywaną na poziomie związanym
z akceptorem, lub elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziurą z pasma
walencyjnego.
−
Rekombinacja donor-akceptor
- elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziurą
przetrzymywaną na poziomie akceptorowym. Energia odpowiadająca temu przejściu
zależy od przestrzennej odległości donora i akceptora.
−
Rekombinacja poprzez głębokie poziomy
- w tym przypadku energia fotonu jest
znacznie mniejsza niż wartość przerwy energetycznej.
Innym rodzajem przejść promienistych są przejścia ekscytonowe, występujące
w warunkach, gdy przestrzennie związana para elektron-dziura (zwana ekscytonem) tworzy
stan, którego energia jest mniejsza niż energia swobodnego elektronu i dziury. Ponieważ
elektron i dziura tworzące ekscyton muszą mieć identyczne prędkości translacji, istnieje
ograniczenie miejsca w przestrzeni (E-k), w których możemy znaleźć ekscyton, do tzw.
punktów krytycznych.
2.2. Przejścia niepromieniste w półprzewodnikach
W procesie rekombinacji niepromienistej uwalniana energia odbierana jest przez sieć
krystaliczną poprzez fonony. Istnieją dwa podstawowe typy przejść niepromienistych: efekt
Augera i emisja wielofononowa.
−
Efekt Augera
- elektron rekombinuje z dziurą oddając nadmiarową energię drugiemu
elektronowi w paśmie przewodnictwa. Drugi elektron zostaje wzbudzony do stanu
o większej energii w paśmie przewodnictwa, a następnie rozprasza uzyskaną energię
w wyniku oddziaływania z siecią krystaliczną. Proces ten, obejmujący dwa elektrony
i dziurę będzie odgrywał istotną rolę przy dużych koncentracjach nadmiarowych
elektronów.
−
Emisja wielofononowa
- przejście niepromieniste zachodzi poprzez emisję pewnej liczby
kwantów drgań sieci (fononów). Ponieważ energia fononu jest mniejsza od spodziewanej
straty energii (odpowiadającej szerokości przerwy zabronionej) w wyniku rekombinacji,
powyższy proces wymaga emisji pewnej liczby fononów.
2.3. Półprzewodniki z prostą i skośną przerwą energetyczną
Ze względu na zależność energii od pędu materiały półprzewodnikowe można
podzielić na półprzewodniki z prostą i skośną przerwą energetyczną. W półprzewodnikach
z prostą przerwą energetyczną, minimum pasma przewodnictwa imaksimum pasma
walencyjnego przypadają dla tej samej wartości wektora falowego k (p=hk), (rys.1). Oznacza
to, że w przypadku rekombinacji elektronu z pasma przewodnictwa z dziurą z pasma
walencyjnego połączonej z emisją fotonu pozostaje zachowany całkowity pęd układu. Akcję
laserową obserwuje się tylko w materiałach z prostą przerwą energetyczną.
Rys. 1. Model dozwolonych przejść prostych Ei - energia stanu początkowego,
Ef - energia stanu końcowego.
W półprzewodnikach ze skośną przerwą energetyczną (rys.2) wierzchołek pasma
walencyjnego i minimum pasma przewodnictwa odpowiadają różnym wartościom wektora
falowego k. W tym przypadku przy rekombinacji elektronu z dziurą połączonej z emisją
fotonu, zachowanie pędu jest możliwe dzięki istnieniu fononu - dodatkowej cząstki związanej
z drganiami sieci krystalicznej. Ponieważ przejście skośne jest procesem trójcząstkowym
(elektron + foton + fonon), prawdopodobieństwo jego jest znacznie mniejsze niż
prawdopodobieństwo przejścia prostego, w którym biorą udział tylko dwie cząstki
(elektron i foton).
Rys. 2. Model przejść skośnych między pasmami oddzielonymi skośną przerwą energetyczną.
3. Zasada działania i budowa diody półprzewodnikowej.
Dioda elektroluminescencyjna (DEL) inaczej dioda świecąca jest źródłem
promieniowania widzialnego jak i niewidzialnego (np. promieniowania podczerwonego –
dioda IR).
Diody świecące LED (ang. Light Emitting Diode) emitują promieniowanie widzialne, a więc
fotony, pod wpływem przepływu przez nie prądu w kierunku przewodzenia, tj. od warstwy p
do n. Nośniki prądu uzyskują energię elektryczną ze źródła zewnętrznego.
Promieniowanie to ma dokładnie określone widmo częstotliwościowe jako wynik
rekombinacji nośników ładunków w obszarze złącza p-n. W tym trybie pracy diody, nośniki
są wstrzykiwane przez złącze p-n, przy czym elektrony z obszaru n do p, a dziury zaś z p do
n. Wstrzykiwanie nośniki rekombinują z nośnikami przeciwnego rodzaju i tracąc energię
równą szerokości pasma zabronionego Eg półprzewodnika powodują emisją promieniowania
o długości fali:
λ
ch
,
E
g
gdzie c jest to prędkość światła, h jest to stała Planck’a.
Rys. 3. Zasada działania diody elektroluminescencyjnej. (Kierunek przewodzenia)
Charakterystyka diody DEL jest podobna do charakterystyki diody prostowniczej.
Z powodu dużego przyrostu wartości prądu przewodzenia diody przy niewielkim wzroście jej
napięcia przewodzenia stosuje się szeregowo z nią rezystor. Dioda DEL ma nieco wyższe
napięcie przewodzenia, które wynosi 2V dla diody czerwonej i 3V dla diody zielonej i żółtej.
Diody DEL mają niskie napięcia zaporowe wahające się między 3, a 5V. Maksymalny prąd
przewodzenia to 20 - 50mA, zależnie od typu diody.
Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody DEL.
Plik z chomika:
polnychomik
Inne pliki z tego folderu:
domieszki.pdf
(2359 KB)
DiodaElektroluminescencyjna.pdf
(825 KB)
sciaga.doc
(470 KB)
skanuj0025.jpg
(194 KB)
skanuj0024.jpg
(204 KB)
Inne foldery tego chomika:
Dla Dorotki
zachomikowane
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin