Teorie
Elektroluminiscenční dioda (LED)
zdroj: http://it.wikipedia.org/wiki/ File:Diodos_LED_foto.png
Elektroluminiscenční diody patří vedle polovodičových laserů mezi základní optoelektronické zdroje světla. Funkce luminiscenční diody (LED = Light Emitting Diode) je založena na elektroluminiscenčním jevu, čímž rozumíme emisi fotonu z oblasti polovodičového P-N přechodu, kterým prochází proud. Přiložením vnějšího napětí na P-N přechod v propustném směru dochází totiž ke vstřikování (injekci) minoritních nosičů proudu do vodivostních oblastí. Část elektronů v oblasti P a část děr v oblasti N zářivě rekombinuje s majoritními nosiči a díky uvolněné energii dochází k emisi světla. Tento jen se též nazývá tzv. injekční elektroluminiscence.
Pásmo spektra záření diody je závislé na chemickém složení použitého polovodiče. LED jsou vyráběny s pásmy vyzařování od ultrafialových, přes různé barvy viditelného spektra, až po infračervené pásmo. Jelikož při zářivé rekombinaci se elektron vrací z vodivostného pásu do pásu valenčního, je energie vyzařovaných světelných kvant blízká šířce tzv. zakázaného pásu Eg.
Vlastnosti luminiscenčních diod
Volt-ampérová charakteristika
Vlastnosti luminiscenčních diod jako součástek elektrických obvodu popisují jejich voltampérové charakteristiky. U všech luminiscenčních diod mají typicky diodový průběh (viz obr. 1).
Obr. 1 - V-A charakteristiky červené (RED) a žluté (YELLOW) elektroluminiscenčních diod
Voltampérová charakteristika v propustném směru se tedy dá vyjádřit poměrně složitým analytickým vztahem:
| kde: |
IF |
[A] |
– proud tekoucí P-N přechodem |
|
RS |
[Ω] |
– sériový odpor diody |
| I0 |
[A] |
– zbytkový proud |
|
T |
[K] |
– absolutní teplota |
| e |
[C] |
– náboj elektronu |
|
n |
|
– viz dále |
| UF |
[V] |
– napětí na diodě |
|
k |
[J·K–1] |
– Boltzmannova konstanta; k = 1,38 ·10–23 J·K–1 |
Je-li však e.UF ≥ 4 k.T (tj. je-li za pokojové teploty UF ≥ 100 mV) a zároven UF >> IF.RS, zjednoduší se tato rovnice na tvar:
Tvar charakteristiky záleží na geometrii a vlastnostech přechodu, na vlastnostech použitého materiálu, výrobní technologii apod. Všechny tyto faktory se zahrnují do bezrozměrné konstanty n. Převrácená hodnota n definuje konstantu α = 1/n, která charakterizuje mechanismus transportu náboje přechodem (difúze, rekombinace, tunelování).
Sériový statický a dynamický odpor
Stejně jako u každé jiné polovodičové diody lze definovat i tzv. sériový statický odpor (v pracovním bodě UFo, IFo) jako:
a sériový dynamický (diferenciální) odpor, který je definován:
Statický odpor bývá řádově 10–100 Ω, dynamický odpor je < 1 Ω.
Prahové napětí
Dalším parametrem je prahové napětí U*, to je napětí extrapolované z lineární části V-A charakteristiky (na obr. 1 červeně). Při tomto napětí dochází ke zlomu v linearizovaném průběhu závislosti proudu tekoucího diodou na napětí přiloženém na luminiscencní diodu. Toto prahové napětí je závislé na materiálu, z něhož jsou luminiscencní diody zhotoveny a je blízké difuznímu napětí Ud, tedy i šířce zakázaného pásu Eg/e. Důvodem této skutečnosti je to, že napětí U* poskytuje - zhruba řečeno - nosičům proudu energii nutnou k překonání potenciálové bariéry e.Ud. U diod z GaAs (Eg ≈ 1,4 eV) je prahové napětí U* asi 1,4 V, z GaAsxP1-x (Eg ≈ 1,4 - 2,4 eV dle složení) je U* = (1,4 - 2,3) V, u diod z GaP (Eg ≈ 2,3 eV) je U* = 2,4 V.
Vlnová délka vyzařovaného světla
Podobná souvislost je pak i mezi prahovým napětím a vyzařovanou frekvencí (vlnovou délkou) emitovaného světla. Se zkracující se vlnovou délkou emitovaného světla roste velikost potřebného elektrického proudu a z toho vyplývajícího napětí. Zatímco u klasické (nesvítící) usměrňovací křemíkové diody je toto napětí asi 0,6 V, u zelené LED z GaP 1,7 V a u modré LED ze SiC dokonce již 2,5 V.
Uvážíme-li, že energie uvolněná při rekombinaci se přemění na energii emitovaného fotonu, můžeme psát:
| kde: |
e |
[C] |
- náboj elektronu |
|
λ |
[m] |
- vlnová délka emitovaného záření |
| U* |
[V] |
- prahové napětí |
|
c |
[m·s–1] |
- rychlost světla; c = 3 ·108 m·s–1 |
| f |
[Hz] |
- frekvence emitovaného záření |
|
h |
[J·s] |
- Planckova konstanta; h = 6,625 ·10–34 J.s |
| Barva |
λ / nm |
| červená |
656 - 768 |
| žlutá |
568 - 585 |
| zelená |
495 - 535 |
| modrá |
452 - 485 |
Tab. 1 - vlnové délky barev LED
Zpravidla se ze znalosti prahového napětí U* určuje vlnová délka emitovaného záření, která se porovnává s tabulkovými hodnotami. Vztah (4) však lze použít i naopak pro řádový odhad Planckovy konstanty. Ze znalosti prahového napětí a přibližné vlnové délky (viz Tab. 1) lze vyjádřit Planckovu konstantu:
