Исследование спектров излучения светодиодов

2.1. Цель работы: изучить принцип действия и устройство различных светодиодов; исследовать спектр их излучения в видимой области; оценить ширину запрещенной зоны.

2.2. Подготовка к работе: ознакомиться с описанием лабораторной работы и изучить § 64 в учебнике [3] и §§ 9.4 и 9.6 в [5]. В результате подготовки следует знать:

а) принцип действия полупроводниковых светодиодов;

б) энергетические уровни полупроводникового диода;

в) от чего зависит ширина запрещенной зоны;

г) почему не всякий полупроводниковый диод может излучать свет при прохождении по нему электрического тока;

д) какие химические соединения используются для создания светодиодов;

е) устройство светодиодных излучателей;

ж) как узнать, в какой спектральной области будет излучать тот или иной светодиод;

з) в чем заключаются преимущества и недостатки светодиодных излучателей перед другими источниками света;

и) важнейшие применения светодиодов.

2.3. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка представлена на рис. 2.1 и состоит из следующих узлов: монохроматора МУМ–01 1, узла светодиодного излучателя 2, кюветного отделения 3, фотоприемного узла 4, блока обработки сигнала 5, мультиметра 6.

В узле излучателя устанавливаются исследуемые светодиоды красного, зеленого, синего и белого света. Узел излучателя закреплен непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За входной щелью установлен объектив (конденсор), формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение и попадающий на фотодиод фотоприемного узла.

Рис. 2.1. Внешний вид экспериментальной установки

Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего излучения, регистрируется с помощью мультиметра. Для повышения соотношения сигнал / шум и устранения посторонних засветок питание светодиода осуществляется модулированным током частотой ~20 кГц, а сигнал с фотоприемника обрабатывается с помощью синхронного детектора.

Монохроматор представляет собой спектральный прибор, который разлагает излучение по длинам волн с помощью дифракционной решетки. Оптическая схема установки показана на рис. 2.2.

Излучение от светодиода 1 через объектив 2 направляется на входную щель 3 и посредством зеркала 4 попадает на отражательную дифракционную решетку 5, которая разлагает его в спектр. Зеркало 6 направляет дифрагированное решеткой излучение на выходную щель 7, которая выделяет тот или иной участок спектра. Затем излучение попадает на блок обработки сигнала 8 и затем на мультиметр 9.

Щели на входе и выходе монохроматора сменные, их ширина составляет 0,25 или 1,0 мм.

Сканирование (перемещение) спектра осуществляется поворотом решетки 5 вокруг оси О с помощью системы зубчатых передач, которая связана с ручкой на передней стенке прибора и механическим счетчиком, непосредственно отсчитывающим длины волн в диапазоне 200800 нм с точностью 0,2 нм.

2.4. Физическая основа работы светодиодов

Принцип действия светодиодов основан на электролюминесценции р-n-перехода (контакта двух полупроводников с различными типами электропроводности) при прохождении через него прямого тока. Такие приборы называются светоизлучающими диодами или просто светодиодами (рис. 2.3, а). Рассмотрим происходящие в них процессы. Если приложить к р-n-переходу прямое напряжение, через него начинают двигаться основные носители – электроны из области с электропроводностью n-типа и дырки из области с электропроводностью р-типа. Попав в область перехода (на рисунке заштрихована), эти носители становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями.

Процесс рекомбинации означает переход электронов с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны (см. энергетическую диаграмму на рис. 2.3, б). Такие переходы сопровождаются выделением квантов света, т. е. фотонов. Это явление, называемое излучательной рекомбинацией, лежит в основе работы светодиода.

Энергия выделяющихся фотонов почти равна ширине запрещенной зоны , т. е. . Подставляя в это выражение значение постоянной Планка и скорости света м/с = мкм/с, а также помня, что один электрон-вольт равен , определим ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах), необходимую для получения излучения с длиной волны (в микрометрах) [3]:

. (2.1)

Из этого выражения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь . Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала. Светодиоды изготовляются, главным образом, из фосфида галлия GaP и карбида кремния SiC, а также из некоторых тройных соединений – галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP). Перспективен для изготовления светодиодов нитрид галлия GaN, который имеет большую ширину запрещенной зоны (  эВ), и поэтому энергия квантов света, возникающих в этом материале при рекомбинации носителей заряда, может перекрывать всю видимую область спектра.

Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получать свечение различного цвета. Существуют светодиоды, цвет свечения которых можно менять. В таких светодиодах – два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум излучения в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы. Светодиоды, изготовленные из GaAs, излучают в инфракрасной области спектра.

Активным элементом светодиода является полупроводниковый монокристалл в виде кубика («чипа»), содержащего p-n-переход и металлические контакты. Типичные размеры чипа: .

Светодиоды конструируются так, чтобы наружу выходил возможно бóльший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется из-за поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл – воздух (рис. 2.4, а). Последнее возникает из-за того, что показатель преломления полупроводника значительно больше, чем у воздуха ( ). Для уменьшения потерь на полное внутреннее отражение одну из областей светодиода делают в виде полусферы (рис. 2.4, б) или снабжают светодиод плоской структуры полусферической линзой (рис. 2.4, в).

Светодиоды характеризуются высокой яркостью излучения (тыс. кд/м²), силой света (до десятка кд), квантовым выходом до 50 %, высоким быстродействием (до единиц наносекунд), надежностью и большим сроком службы (до сотен тыс. часов). Для электропитания светодиодов требуются низковольтные источники  .