В прошлых статьях я рассказал об излучении света светодиодом а также погрузился в физику этого процесса. Сегодня я расскажу об излучении света светодиодом более предметно.
В современных светодиодах для повышения эффективности их работы используют сложную структуру полупроводников. Вместо обычного электронно-дырочного перехода (на основе одного полупроводника с примесями разной валентности) применяют несколько последовательных гетеропереходов (переходов между полупроводниками разных составов). В простейшем случае между двумя полупроводниками разного типа проводимости помещают тонкий слой (плёнку) полупроводника без примесей (с невыраженным типом проводимости) и с относительно меньшим размером запрещённой зоны в его атомах.
Из-за различной ширины запрещённых зон этих полупроводников, тонкий центральный слой образует в себе т.н. квантовую яму для электронов:
Электроны попадают в этот полупроводник и принимают наименьший энергетический уровень его зоны проводимости, ближе к дну ямы, после чего не могут свободно проскочить дальше по зоне проводимости, ибо их энергия уже ниже энергии проводимости следующего материала. В результате они оказываются запертыми и вынуждены рекомбинировать в этой тонкой области.
Рекомбинация в тонком полупроводниковом слое, не имеющем примесей, даёт несколько преимуществ:
1. За счёт уменьшения объёма, в котором происходит рекомбинация, увеличивается концентрация рекомбинирующих электронов, что уменьшает вероятность расхода энергии на тепловые колебания атомов.
2. В результате отсутствия примесей в центральном слое, вероятность безизлучательной рекомбинации тоже уменьшается, поскольку эти самые примеси и другие дефекты атомной структуры полупроводника как раз и являются её источником.
3. Возможность регулировать цвет излучения толщиной слоя.
Объясню последний пункт подробнее. При толщине центрального слоя всего в несколько слоёв атомов появляется дополнительная возможность регулировать этой толщиной энергию испускаемых рекомбинирующими электронами фотонов (цвет излучения) как за счёт эффекта размерного квантования, так и за счет упругой деформации слоя. И то и другое влияет на величину расщепления энергетических уровней, о чём будет сказано ниже.
Регулировка размерным квантованием
Если электроны заперты в ограниченном объёме (например, в атоме вещества, находясь на его орбите) то они занимают энергетические уровни таким образом, чтобы не мешать друг другу. Это значит, что на одном энергетическом уровне может находится максимум только два электрона, и то в том случае, если они имеют противоположный спин (противоположный собственный импульс). Более того, не забываем, что энергетические уровни могут иметь только определённые фиксированные значения.
Начинающим можно не читать, а для продвинутых замечу, что энергетическими уровнями в контексте данной статьи для простоты я называю не только уровни, как таковые, но и их подуровни, формируемые разными орбиталями в пределах одной базовой «орбиты». Ведь все они по факту имеют разный энергетический уровень. Подробнее с понятием орбиталей можно ознакомиться в любом источнике по ключевым словам «строение атома».
Внутри атома так и происходит. Но если из всех атомов вещества выйдет хотя бы по одному электрону, которые попытаются занять один и тот-же энергетический уровень в зоне проводимости, то этот уровень начнет расщепляться на несколько подуровней по числу атомов вещества. В сравнительно больших объёмах вещества энергетические уровни свободных электронов сливаются в одну большую зону, и о каком-либо квантовании энергий в зоне проводимости не может идти и речи.
Но если же мы физически ограничим размеры вещества, то электронов с одинаковыми энергетическими уровнями будет меньше, следовательно меньше будет и расщепление. При дальнейшем уменьшении размера вещества мы будем наблюдать, как из «размазанного» энергетического спектра рождаются конкретные энергетические уровни, то есть мы видим, что энергия свободных электронов квантуется — имеет конечную дискретность. Эффект квантования энергий при уменьшении размеров вещества называется квантово-размерным эффектом или эффектом размерного квантования.
При толщине центрального слоя, сравнимой с длинами волн электрона, количество энергетических уровней в зоне проводимости становится небольшим. Это происходит из-за того, что количество электронов одних и тех же энергетических уровней в веществе сокращается, и эти уровни перестают так сильно расщепляться. В итоге «размазанная» по всей квантовой яме энергетическая структура стягивается в ограниченные зоны, и приближаются к единичным уровням, как это происходит в отдельном атоме.
В итоге, нижний расщеплённый уровень отдаляется от запрещённой зоны, и подтягивается к центру расщепления — энергетическому уровню единичного атома. Таким образом, разница между энергией электронов зоны проводимости и энергий свободного уровня целевого атома увеличивается. Теперь для рекомбинации потребуется больший выброс энергии электроном, а значит изменится и цвет свечения.
Регулировка упругой деформацией
При уменьшении толщины центрального слоя его свойства всё в большей степени начинают зависеть от влияния на его атомы атомов соседних полупроводников, сил поверхностного натяжения кристалла и т.п.. В центральном слое возникают определённые упругие деформации, в результате которых меняется расстояние между атомами, а значит, меняется ширина расщепленных энергетических уровней электронов (при сближении атомов начинает проявляться эффект, связанный с невозможностью взаимодействующих электронов находиться на одних и тех же энергетических уровнях, и они вынуждены расщепляться на ширину, пропорциональную расстоянию между атомами). Расширение расщеплённых энергетических уровней уменьшает разницу между энергией электронов зоны проводимости и энергий свободного уровня целевого атома, а это уменьшает выделяющуюся энергию что и изменяет цвет свечения.
Материалы активной зоны светодиодов разных спектров свечения
Заключение
На этом всё. Подписывайтесь на канал, ставьте лайки и пишите свои мысли в комментариях. Пока!