В прошлой статье я рассказал об излучении света светодиодом довольно поверхностно. Сегодня я хочу углубиться в физику этого процесса более основательно.
Сначала мы познакомимся с некоторыми новыми понятиями, такими как полупроводники, электронная и дырочная проводимости и т.п., а потом перейдём непосредственно к объяснению работы светодиода.
Как и прошлую статью, эту тоже физики могут не читать. Статья будет популярная, без многочисленных нюансов, которые вы, физики, так любите. Кроме того, она будет изложена не в академическом стиле, как вы привыкли, а в свободном изложении, чтобы она легче воспринималась обычными людьми. Впрочем, всё, как всегда. Альтернативщиков тоже прошу не беспокоится, здесь будет изложена официальная модель.
Сразу предупреждаю, что процессы, происходящие на атомном уровне, представлены здесь в виде общепринятых, но не совсем точных моделей. Эти модели призваны дать приблизительное понятие о том, что на самом деле происходит, и их нельзя использовать в качестве основы для построения более глубоких умозаключений. В микромире заканчивается привычная нам физика твёрдых частиц и появляется всё больше абстракций, которые на современном этапе всё труднее объяснить на пальцах в привычных человеку понятиях. А с помощью приближённых моделей мы имеем возможность хоть ещё немного продолжить привычную нам физику.
Энергетическая структура атома
Внутри атома электрон может располагаться только на определённых, фиксированных орбитах, зависящих от величины его энергии (про орбитали не упоминаем, упрощая модель). Уровни орбит (энергетические уровни) можно условно объединить в более крупные зоны. Электронам каждой зоны свойственно своё поведение.
Рассмотрим зонную структуру атомов рассматриваемых нами материалов, начиная с уровней наименьших энергий:
1. Зона основных энергетических уровней. Электроны этой зоны расположены ближе других к ядру. Они имеют наименьшую энергию и в рассматриваемых нами процессах не участвуют.
2. Валентная зона. Электроны именно этой зоны участвуют в электрических и химических процессах (валентные электроны). Расположены на верхних орбитах атомов.
3. Запрещенная зона. Зона энергий, которой не обладают электроны данного вещества. Запрещенной зоны нет лишь в металлах. В диэлектриках она наибольшая. В качестве материалов для изготовления диодов (в том числе и светодиодов) применяют полупроводники. Полупроводники — это вещества с размером запрещённой зоны меньшим, чем у диэлектриков, но она есть, в отличие от металлов. Дальнейшее повествование будет касаться в основном полупроводников.
4. Зона проводимости. Электроны, имеющие энергетические уровни этой зоны, не находятся на орбитах своих атомов, а беспорядочно передвигаются от атома к атому. Именно они обеспечивают высокую электропроводность металлов. Материалы, не имеющие электронов в зоне проводимости, являются диэлектриками.
Ковалентная связь между атомами полупроводника
Атомы полупроводника (например, германия) связаны друг с другом валентными электронами. Связь происходит следующим образом. У германия 4 валентных электрона. Вокруг каждой пары атомов германия движутся 2 валентных электрона — по одному от каждого атома. Атомы выстраиваются так, чтобы у каждого было столько соседних атомов, сколько валентных электронов он имеет. Таким образом все валентные электроны у всех атомов получаются задействованными. Такая связь называется ковалентной.
На рисунке вы видите развернутую в плоскость модель фрагмента кристаллической решётки германия, на которой демонстрируется ковалентная связь.
Силой ковалентной связи можно объяснить существование запрещенной зоны в полупроводниках и диэлектриках. Чем больше энергии надо затратить, чтобы оторвать валентные электроны, участвующие в ковалентной связи, и отправить их в зону проводимости, тем шире запрещенная зона. Это логично. В металлах ковалентной связи нет, нет и запрещённой зоны.
Электронная и дырочная проводимость
В полупроводниках при повышении температуры выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, которой становится достаточно для преодоления небольшой запрещённой зоны и перехода на уровень проводимости. В итоге, при комнатной температуре в зоне проводимости постоянно присутствует некоторое количество электронов, а в валентной зоне атомов образуется дефицит электронов (дырки).
В итоге полупроводник начинает обладать и электронной и дырочной проводимостью — электронную проводимость осуществляют электроны, свободно перемещающиеся в зоне проводимости, а дырочную — электроны в зоне валентности, способные перескакивать в дырку с соседних атомов. При этом электронная проводимость доминирует над дырочной, так как электроны зоны проводимости перемещаются свободнее, но общая электропроводность полупроводника, естественно, складывается из этих двух проводимостей.
Примесная проводимость
Замещая у полупроводника некоторые атомы на атомы других веществ с той или иной валентностью, можно увеличить либо количество электронов в зоне проводимости, либо количество дырок в валентной зоне. Происходит это следующим образом:
1. Электронная проводимость (проводимость n-типа). Некоторые атомы четырехвалентного германия заменяем на атомы пятивалентной сурьмы. При ковалентной связи у атомов сурьмы оказывается незадействованным пятый валентный электрон, который начинает вращаться вокруг атома сурьмы и объединённых с ним ковалентной связью атомов германия. Атом сурьмы и связанные с ним ковалентной связью атомы германия образуют для этого электрона некое ядро, и вся конструкция издалека начинает напоминать атом водорода с одним электроном. Электрон занимает энергетический уровень, который накладывается на уровень запрещенной зоны атомов германия. Уровень находится у верхнего края запрещённой зоны германия, почти у его зоны проводимости. Поэтому при комнатной температуре электроны с этого энергетического уровня легко уходят в зону проводимости. В зоне проводимости оказывается очень много электронов, и полупроводник получает хорошую электронную проводимость.
2. Дырочная проводимость (проводимость p-типа). Некоторые атомы четырёхвалентного германия заменяем на атомы трёхвалентного индия. При ковалентной связи атому индия не хватает одного электрона, чтобы связаться с четвертым атомом германия. В результате у атома индия образуется дефицит электрона для полноценной ковалентной связи, которая ему очень важна. Чтобы занять место этого электрона в атоме индия, валентному электрону соседнего атома германия нужно совсем немного энергии. Получив её в результате теплового воздействия, он немного увеличивает свой энергетический уровень и занимает это место в ковалентной связи. Теперь его энергетический уровень в атоме индия накладывается на уровень запрещенной зоны атомов германия. Но в отличие от случая с электронной проводимостью, этот энергетический уровень находится в запрещённой зоне не у зоны проводимости, а ниже, у зоны валентности атомов германия. В результате в атомах германия в зоне валентности образуются дополнительные дырки, в которые смогут перескакивать электроны с соседних атомов. Дырок получается много, поэтому создаются условия для хорошей дырочной проводимости.
Работа электронно-дырочного перехода
Теперь сложим два разных полупроводника вместе, и подключим прямое напряжение — минус к полупроводнику с электронной проводимостью, а плюс — к полупроводнику с дырочной проводимостью. Из-за разности потенциалов электроны из зоны проводимости первого полупроводника, проскакивая между атомами, устремятся в сторону второго. Достигнув его, они будут перескакивать на ждущие их атомы второго полупроводника с отсутствующими валентными электронами, и далее пойдут по цепочке этих атомов, перескакивая от одного к другому, пока не выйдут через плюсовой вывод.
В момент, когда электроны опускаются из зоны проводимости через запрещённую зону на валентные энергетические уровни атомов второго полупроводника, из электронов в виде электромагнитной волны (фотона) выделяется лишняя энергия, пропорциональная ширине запрещённой зоны. Процесс занятия электроном зоны проводимости пустого энергетического уровня в атоме называется рекомбинацией.
Работа светодиода
В случае с германием выделение электронами энергии при пересечении небольшой запрещённой зоны незначительно, и расходуется лишь на тепловое раскачивание атомов. Для того, чтобы энергия выделялась в виде электромагнитных волн (фотонов) светового диапазона, применяют полупроводники с большим размером запрещённой зоны. В этом случае при рекомбинации электрона выделяется фотон (квант электромагнитной волны) с большой энергией. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитной волны. Подбирая полупроводники с разным размером запрещённой зоны можно менять цвет излучения.
Заключение
Для тех, кто хочет узнать более подробно, как именно работают современные светодиоды на уровне атомов, читайте мою следующую статью. А пока подписывайтесь на канал, ставьте лайки и пишите свои мысли в комментариях. Пока!