Светодиоды
Если на полупроводниковый диод подать напряжение в прямой (не запорной) полярности, то из кубика р к зоне контакта двинутся дырки, а из кубика л — электроны. Таким образом, получается, что через диод идет сквозной ток. Встретившись, электроны и дырки рекомбинируют. Свободный электрон в полупроводнике — это электрон, который, благодаря полученной им порции энергии, смог оторваться от своего атома. А при рекомбинации электрона и дырки этот электрон закрепляется за определенным атомом (у которого была дырка) и перестает быть свободным электроном. Лишнюю энергию электрон теряет. Она может выделиться как тепло, а может — как фотон света.
Светодиоды — это приборы, в которых созданы условия, чтобы процесс рекомбинации дал максимальное количество света. Излучение света, вызываемое инжекцией носителей тока в слой с другим знаком проводимости, называется инжекционной люминесценцией.
Веществами, в которых при рекомбинации выделяется много света, оказались арсенид галлия (GaAs) и тройные соединения фосфора или алюминия на его базе (GaPAs, GaAIAs). Диод изготавливается из кубиков не только разной проводимости, но и разного состава.
Конкретный пример такого прибора следующий. Кубик А — из л-материала. Кубик В — из р-материала, но другой по химическому составу. Материалы А и В подобраны таким образом, что инжекция электронов из Л в Б очень сильная, а дырок из Б в А маленькая. Кроме того, за материалом Б следует еще один материал С, химически близкий к В. Но граница между слоями Б и С образует барьер, через который электроны пройти не могут.
Таким образом, в слое Б скапливается большое количество электронов, так как инжекция из слоя А в слой В велика, а дальше они не идут. В нем велика и концентрация дырок, так как инжекция их из него мала, и они остаются, в основном, в этом слое. Концентрация обоих носителей тока в слое В увеличивается еще за счет того, что слой тонкий. Значит в слое Б состоится большое количество встреч электронов и дырок, а потому излучается много света.
В диоде на основе арсенида галлия и тройных соединений слой В излучает свет с длиной волны 0,94 микрометра, а слой А поглощает свет в узкой области около 0,90 мкм. Таким образом, генерируемый свет, чтобы выйти из светового диода, может пройти через слой А, не поглощаясь.
Однако, чтобы свет вышел из светодиода в воздух, он должен еще пересечь границу полупроводник-воздух. На границе двух сред происходит преломление и частичное отражение световых лучей. При большом различии оптических свойств у граничащих материалов указанные явления очень сильны. Оптические свойства материалов характеризуются их оптической плотностью. Арсенид галлия имеет высокую оптическую плотность, а воздух, вследствие своей разреженности, малую. Это значит, что в потоке света, идущем из арсенида галлия в воздух, заметная часть будет отражена обратно в светодиод и из него не выйдет. Чтобы устранить это явление, используется эффект просветления. Если тело с высокой оптической плотностью покрыть тонкой прозрачной диэлектрической пленкой с более низкой, чем у самого вещества, оптической плотностью, отражение уменьшится.
Важнейшее требование к светодиодам — надо, чтобы у трех составляющих его разных материалов с высочайшей точностью совпадали межатомные расстояния в кристаллической решетке и тепловые коэффициенты расширения. При несовпадении межатомных расстояний в решетке между материалами образуются дополнительные барьеры, мешающие работе светодиода. Несовпадение коэффициента теплового расширения у отдельных частей приведет к разрушению прибора.
