Светодиодное освещени
Светодиодные лапочки Philips в России 

Кофемашины Philips Saeco

 
Светодиод - полупроводниковый прибор, который излучает свет, благодаря электронно-дырочному переходу (сокращенно р-n переходу). 
р-n переход - это одна из разновидностей электрического перехода — слоя в полупроводнике, образующегося между двумя его областями с различной электропроводностью, различными значениями удельной проводимости или различными материалами полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны.

Электронно-дырочный переход образуется на границе двух полупроводниковых сред, обладающих различным типом электропроводностей, созданных в едином кристалле полупроводника.

Вследствие различия в областях концентраций как дырок, так и электронов происходит процесс диффузии: дырки переходят из р-области в n-область, а электроны — из n-области — в р-область. Таким образом, появляется ток диффузии Iдиф = Iрдиф + Inдиф, направление которого совпадает с направлением диффузии дырок.

Так как дырки являются положительно заряженными, а электроны отрицательно заряженными частицами, то их диффузия через металлургическую границу приводит к перераспределению электрических зарядов в приконтактных слоях и к нарушению электрической нейтральности этих слоев. Приконтактный слой р-области теряет дырки (они уходят в n-область) и принимает электроны из n-области, которые интенсивно рекомбинируют с дырками. В результате обоих процессов уменьшается концентрация дырок и, следовательно, остается некомпенсированным отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Кроме того, в приконтактном слое р-области остается некоторое количество нерекомбинировавших электронов. Таким образом, в этом слое р-области появляется отрицательный заряд, в основном определяемый неподвижными ионами акцепторов.

Аналогично приконтактный слой n-области, теряющий электроны (они диффундируют в р-область) и принимающий диффундирующие в него дырки из р-области, которые интенсивно рекомбинируют с электронами, заряжается положительно. Носителями этого заряда являются в основном нескомпенсированные положительные ионы доноров и частично нерекомбинировавшие дырки. Совершенно очевидно, что для сохранения (в целом) электрической нейтральности всего прибора заряды в обоих приконтактных слоях по абсолютной величине будут одинаковы (на рис. 2-2, а они показаны знаками «—» и «+» без кружков). Эти заряды создают электрическое поле, которое является тормозящим для диффундирующих носителей. Образуется потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей. Одновременно с этим возникшее электрическое поле создает благоприятные условия для перехода из одной области в другую неосновных носителей. Так, некоторые электроны проводимости, являющиеся в р-области неосновными носителями, совершая тепловое движение, подходят к приконтактному слою, где их захватывает электрическое поле; совершая дрейф под действием сил этого поля, они переходят в n-область.


Аналогичный процесс происходит с некоторыми дырками n-области, которые в этой области являются неосновными носителями. Следовательно, на границе двух сред существуют встречные потоки одноименно заряженных частиц: диффузионный поток дырок из р-области и дрейфовый поток дырок из n-области и аналогично диффузионный поток электронов из га-области и дрейфовый поток электронов из р-области. Электрическое поле (потенциальный барьер) в переходе растет до такого значения, при котором встречные потоки дырок (и аналогично встречные потоки электронов) становятся одинаковыми. Наступает состояние равновесия перехода. Установившаяся контактная разность потенциалов в переходе, численно равная разности энергий Ферми (WF, эВ) р- и n-полупроводника, создает именно такой потенциальный барьер для основных носителей. У кремниевых р-n переходов обычно Uкон = 0,7/0,8 В, а у германиевых Uкон = 0,3/0,4 В, так как при использовании невырожденных полупроводников уровни Ферми не выходят за пределы запрещенной зоны (1,12 эВ для кремния и 0,72 эВ для германия).

Дрейфовый ток через границу двух сред, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током Iт. Он имеет электронную и дырочную составляющие: Iт = Iрт + Inт.

Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не может быть большим. Кроме того, он практически не зависит от величины поля в р-n переходе, т. е. является током насыщения неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к р-n переходу, совершают переход через него под действием поля, независимо от его величины. Поэтому ток Iт определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а, следовательно, и тепловой ток очень сильно зависят от температуры.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому называется также обратным током (Iт << I0). В общем случае для р-n перехода получаем:

Ip-n = Iдиф — I0. (2-1)


За положительное (прямое) направление тока р-n перехода принято направление тока диффузии. Строго говоря, равенство Iт = I0 справедливо лишь для идеализированного (бесконечно тонкого) р-n перехода, в котором можно пренебречь термогенерацией подвижных носителей заряда в самом переходе, а также возможными токами утечки через переход. В дальнейшем понятие обратного тока для реального р-n перехода будет уточнено.

При отсутствии внешнего воздействия (состояние равновесия) контактная разность потенциалов в р-n переходе затрудняет диффузию основных носителей настолько, что ток диффузии становится равным по абсолютному значению тепловому (обратному) току Iдиф = I0, т. е. эти токи взаимно компенсируются. При этом Ip-n = Iдиф - Iо = 0.

Как уже отмечалось, основные носители при встречной диффузии усиленно рекомбинируют в приконтактных областях. Уход основных носителей и их рекомбинация приводят к образованию в области металлургической границы некоторого слоя, обедненного подвижными носителями. Этот слой обладает относительно малой удельной проводимостью и поэтому называется запирающим слоем.

В любой точке (сечении) этого слоя полупроводник находится в равновесном состоянии. Так как концентрация дырок в направлении от р-области к n-области монотонно убывает, а концентрация электронов проводимости возрастает, то в запирающем слое должно быть сечение ab, в котором р = n = ni = рi что характерно для собственного полупроводника. В общем случае это сечение не совпадает с металлургической границей.

Средняя глубина проникновения диффундирующих дырок в n-область тем меньше, чем больше там концентрация электронов проводимости. Это объясняется зависимостью времени жизни дырок в этой области от nn. То же самое утверждение справедливо для средней глубины проникновения диффундирующих электронов в р-область. Следовательно, при Nа ≠ Nd запирающий слой оказывается смещенным (относительно металлургической границы) в сторону полупроводниковой области с меньшей концентрацией примеси.

В общем случае толщина запирающего слоя (толщина р-n перехода dp-n) определяется примерным равенством

dp-n = dp + dn ≈ √((2ε0εrU')/e)(1/Nd + 1/Na),

где dp, dn — толщина слоя, принадлежащая р- и n-области; εо = 8,85*10-12 Ф/м — электрическая постоянная; εr — относительная диэлектрическая проницаемость кристалла (для германия 16, для кремния 12); U' — потенциальный барьер в р-n переходе (при отсутствии внешних источников равен контактной разности потенциалов Uкон).

Если концентрация примеси в одной из областей оказывается на 2—3 порядка больше, чем в другой, то в этом случае запирающий слой практически сосредоточивается в области с малой концентрацией примеси, а его граница в сильнолегированной области практически совпадает с металлургической границей р-n перехода. Например, при Na >> Nd членом 1/Na относительно члена 1/Nd в выражении (2-2) можно пренебречь, поэтому

dp-n ≈ dn ≈ √((2ε0εr)/(eNd))U' = √anU', (2-3)



где an = (2ε0εr)/(eNd) — некоторый коэффициент, характеризующий слаболегированный полупроводник n-типа.

То же самое справедливо и при Nd >> Na. При этом dp-n ≈ dp ≈ √apU'. Толщина запирающего слоя обычно находится в пределах dp-n = 0,1/1 мкм.

Кроме резких р-n переходов в полупроводниковых приборах широко используются плавные р-n переходы, у которых толщина области плавного перехода концентраций соответствующих примесей сравнима с толщиной запирающего слоя. Отличаясь некоторыми количественными данными, плавные р-n переходы обладают теми же свойствами. Они, как правило, несимметричны.

У резко несимметричных р-n переходов, например при Na >> Nd, диффузионный и дрейфовый токи практически определяются дырочными составляющими, при Nd >> Na — электронными составляющими.


Такое преобладание в диффузионном токе одной из составляющих является важным свойством, используемым во многих полупроводниковых приборах.

Наиболее резкую асимметрию, а соответственно и преобладание одной из составляющих диффузионного тока над другой, имеют гетеропереходы. Такие переходы получаются при контакте двух различных полупроводниковых материалов, обладающих различной шириной запрещенной зоны, но имеющие сходные кристаллические решетки. Наиболее исследованными являются пары: германий — арсенид галлия, германий — кремний и некоторые другие. В гетеропереходе потенциальные барьеры для электронов и дырок получаются существенно различными. Поэтому одна из составляющих диффузионного тока может в несколько тысяч раз превышать другую составляющую. Сложность производства гетеропереходов пока препятствует их широкому применению.