3.6. Светодиоды

В полупроводниках возможен процесс испускания света в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону и его рекомбинации с дыркой. Это явление с энергетической точки зрения является обратным явлению внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

Для получения достаточного числа рекомбинирующих пар «электрон-дырка» используется контакт полупроводников с электронной и дырочной проводимостью, т.е. p-n переход (диод).

В месте p-n перехода существует потенциальный барьер ΔЕ, который является препятствием для перехода электронов и дырок. При подаче прямого напряжения U₀ электроны и дырки начинают интенсивно проходить через область p-n перехода. В этом случае создаются благоприятные условия для рекомбинации электронно-дырочных пар в области p-n перехода и наблюдается испускание света. Энергия фотона, излучаемого полупроводниковым диодом, равна:

hν=ΔE=eU₀ (3.17)

Излучение светодиодов не тепловое, поэтому его спектральное распределение намного уже, чем спектральное излучение черного тела, к которому близок спектр лампы накаливания.

Ширина спектра излучения светодиодов зависит от ширины запрещенной зоны, энергии активации примесей.

Выбирая полупроводник и регулируя его примесный состав, можно получить излучение в нужном диапазоне волн.

Взаимодействие электронов и дырок между собой, с примесями и фотонами приводит к уширению спектра, в особенности, в его длинноволновой части.

Светодиоды практически безинерционны и без искажений преобразуют электрические импульсы в световые. Это используется для неэлектрических связей между различными блоками автоматики и ЭВМ.

3.7. Фотопроводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников, возбуждённая электромагнитным излучением, называется фотопроводимостью.

Фотопроводимость обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под влиянием света образуются дополнительные неравновесные носители тока. Общая удельная электрическая проводимость полупроводника

, (3.18)

где – темновая удельная электрическая проводимость, – удельная электрическая фотопроводимость.

На рис. 3.18, а показана схема образования электрона фотопроводимости и дырки у собственного беспримесного полупроводника. Фотон с энергией , равной или большей ширины запрещённой зоны , переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Они участвуют в создании собственной фотопроводимости полупроводника.

Удельная электрическая проводимость

, (3.19)

где – число пар неравновесных носителей – электронов и дырок, генерируемых в единице объёма полупроводника за 1 с; и – средние времена жизни этих носителей.

На рис. 3.18, б, в показано, как создаются носители тока под действием света в примесных донорных (б) и акцепторных (в) полупроводниках.

а)	б)	в)
Рис. 3.18

В этих случаях фотон с энергией , не меньшей энергии активации примесной проводимости, либо переводит электрон с донорного уровня в зону проводимости, либо из валентной зоны переводит электрон на акцепторный примесный уровень. Требование к энергии фотона , где – энергия активации соответствующей проводимости, означает, что существует красная граница внутреннего фотоэффекта, которая определяется из условия . Переходя от частоты к длине волны, получим

. (3.20)

Для собственной фотопроводимости полупроводника при эВ, нм. Это соответствует жёлтому свету. Видимый и ультрафиолетовый свет может вызвать фотопроводимость не только полупроводников, но и диэлектриков, у которых эВ.

У примесных полупроводников энергия активации проводимости эВ и м, что соответствует инфракрасной области спектра.

Зависимость фотопроводимости полупроводников от освещённости используется в фоторезисторах (фотосопротивлениях).

Характеристикой фотосопротивления является его световая чувствительность (мА/лм) – изменение силы тока при изменении светового потока на 1 лм. У фотосопротивлений световая чувствительность выше, чем у вакуумных фотоэлементов, основанных на внешнем фотоэффекте. Например, у фоторезистора CdSe световая чувствительность ~ 1200 мА/лм; она в 10⁵ раз больше, чем у вакуумных фотоэлементов.