LEDIKO | Elektroluminescencja diod LED

Spis treści:

Od autora

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)

Część 1. Elektroluminescencja

Diody elektroluminescencyjne LED należą do IV generacji sztucznych źródeł światła wykorzystywanych przez człowieka w oświetleniu. Pierwsze 3 generacje to: źródła wykorzystujące proces spalania (I), lampy żarowe (II) oraz lampy wyładowcze (III). Podział ten wynika bezpośrednio z różnych mechanizmów powstawania światła. W diodach LED, a także innych nowoczesnych źródłach światła (diody organiczne lub polimerowe), podstawą świecenia jest zjawisko elektroluminescencji zachodzące w ciele stałym (w krysztale półprzewodnikowym).

Elektroluminescencja jest jednym z rodzajów luminescencji. U podstaw luminescencji leży zjawisko rekombinacji, czyli jeden ze sposobów przejścia układu z energetycznego stanu wzbudzenia do stanu podstawowego. W stanie podstawowym wszystkie elektrony zajmują w atomach możliwie najniższe stany energetyczne, a zewnętrzna powłoka atomowa, na której znajdują się elektrony tworzy tzw. pasmo walencyjne. Stan wzbudzenia to taki, w którym elektrony w atomach materiału są przeniesione z pasma walencyjnego na wyższe stany energetyczne, czyli do tzw. pasma przewodnictwa. Przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa następuje w wyniku oddziaływania zewnętrznego czynnika wzbudzającego. Tym czynnikiem może być temperatura (termoluminescencja), reakcja chemiczna (chemiluminescencja), oddziaływanie mechaniczne (tryboluminescencja), strumień elektronów (elektronoluminescencja) lub fotonów (fotoluminescencja), fala ultradźwiękowa (sonoluminescencja) lub zewnętrzne pole elektryczne (elektroluminescencja).

Rys 0. Najbardziej wydajna biała dioda LED mocy, której dostępność ogłoszono na rynku (134lm/W) – XLamp XP-G produkcji firmy CREE (dane z maja 2009r).

Ponieważ wszystko w naturze dąży do obniżenia swojego stanu energetycznego, więc również i wzbudzone elektrony dążą do tego, by pozbyć się nadmiaru energii. Warunkiem tego, by elektron mógł oddać energię przechodząc na niższy poziom energetyczny jest istnienie pustego stanu dozwolonego na tym niższym poziomie energetycznym oraz prawdopodobieństwo takiego przejścia większe od zera. Innymi słowy w paśmie walencyjnym musi znajdować się puste miejsce, tzw. dziura, które elektron może obsadzić. Przejście elektronu ze stanu wzbudzenia do stanu podstawowego, w którym elektron zajmuje miejsce dziury nazywa się rekombinacją (lub anihilacją) pary elektron-dziura. Różnicę energii sprzed rekombinacji i po rekombinacji elektron może wypromieniować w postaci fali elektromagnetycznej i wówczas mówimy o rekombinacji promienistej. Gdy czynnikiem, który doprowadził do rekombinacji promienistej jest wstrzykiwanie do układu nośników ładunku elektrycznego poprzez oddziaływanie zewnętrznego pola elektrycznego, to wówczas mamy do czynienia z elektroluminescencją. Światło widzialne powstaje wtedy, gdy różnica energii pomiędzy pasmem przewodnictwa, a pasmem walencyjnym odpowiada energiom fal z zakresu widma widzialnego.

Rys. 1. Energetyczny schemat przedstawiający półprzewodnikowe złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. W obszarze aktywnym elektrony przechodzą z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego rekombinując z dziurami. W efekcie rekombinacji par elektron-dziura powstaje kwant energii świetlnej (promieniowania widzialnego).

Elektroluminescencja jest podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących światło (ang. Light Emitting Diode). Dlatego w języku polskim nazywa się je wprost diodami elektroluminescencyjnymi (w skrócie DEL). Diody LED są strukturami półprzewodnikowymi, w których wstrzykiwane zewnętrznym polem elektrycznym elektrony i dziury rekombinują w maksymalnie sprzyjających ku temu warunkach, a nadmiar energii zostaje wypromieniowywany w postaci kwantu światła. Takie optymalne warunki mają miejsce w złączu p-n (nazywanym również obszarem aktywnym). Złącze p-n jest połączeniem dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych typu p i typu n (rys. 1).

Materiał typu p charakteryzuje się tym, że posiada nadmiar dziur w paśmie walencyjnym, natomiast materiał typu n ma w tym paśmie nadmiar elektronów. Przyłożenie do złącza p-n napięcia w kierunku przewodzenia (plus do kontaktu p i minus do kontaktu n) spowoduje, że do pasma przewodnictwa materiału n będą wstrzykiwane elektrony wzbudzone polem elektrycznym, a do pasma walencyjnego materiału p wstrzykiwane będą dziury. Zarówno dziury w paśmie walencyjnym, jaki i elektrony w paśmie przewodnictwa będą unoszone w kierunku złącza obu materiałów siłami zewnętrznego pola elektrycznego. W obszarze złącza p-n (obszar aktywny) wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami i pozbywają się nadwyżki energii emitując foton. Wartość energii fotonu emitowanego przez elektron w czasie rekombinacji jest w przybliżeniu równa różnicy energii między poziomem wzbudzenia, a poziomem podstawowym. Innymi słowy jest w przybliżeniu równa wartości przerwy pomiędzy tymi stanami energetycznymi. Wartość przerwy energetycznej jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału półprzewodnikowego. Dzięki wytwarzaniu związków półprzewodnikowych o regulowanym udziale procentowym poszczególnych pierwiastków składowych, możliwe jest wytwarzanie materiałów półprzewodnikowych o przerwach energetycznych odpowiadających energiom fal świetlnych od ultrafioletu po głęboką podczerwień. Daje to możliwość budowy diod LED o praktycznie dowolnej barwie świecenia (długości fali świetlnej).

Rys. 2 Technologia umożliwia wykonanie emiterów LED świecących światłem o długości fali od podczerwieni do głębokiego ultrafioletu. Najczęściej wytwarza się jednak diody: czerwone (630nm), pomarańczowo czerwone (610nm), bursztynowe (590nm),zielone (525nm), turkusowe (505nm), niebieskie(470nm), granatowe (455nm) oraz białe (2700K-10000K).

Elektroluminescencja jest tak bardzo interesująca i obiecująca dla branży oświetleniowej, ponieważ sprawność tego mechanizmu na poziomie chipu diody może być bliska 100%. Takie struktury już są wykonywane przez różne ośrodki badawcze na świecie. Wyzwaniem jest, natomiast wyprowadzenie światła powstałego w wyniku elektroluminescencji z wnętrza chipu do otoczenia z możliwie największą sprawnością.

Rys. 3. Ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody LED. Polaryzacja kontaktów odpowiada przepływowi prądu elektrycznego w kierunku przewodzenia, co jest warunkiem uzyskania rekombinacji promienistej.

Ogólna budowa chipu diody LED jest prosta i nieskomplikowana (rys. 3). Składa się on z warstwy półprzewodnika typu n, obszaru aktywnego (złącza p-n), warstwy półprzewodnika typu p oraz z pary metalowych kontaktów - elektrody dodatniej do materiału typu p i elektrody ujemnej do materiału typu n. Jednak pomimo pozornej prostoty budowy, w produkcji diod LED korzysta się z najbardziej zaawansowanych technologii dostępnych człowiekowi, a przy projektowaniu ich struktury i procesu wytwarzania potrzebna jest szeroka wiedza z zakresu elektroniki półprzewodnikowej, fizyki ciała stałego, fizyki kwantowej, inżynierii materiałowej, optyki i chemii. Z tego względu diody LED są z pewnością symbolem naszych czasów - czasów zaawansowanych technologii. Dla techniki oświetleniowej są źródłami światła XXI wieku.