Прямозонный полупроводник

Ширина запрещённой зоны различных материалов

Материал	Форма	Энергия в эВ
		0 K	300 K
Элемент
C (мод. Алмаз)	непрямая	5,4	5,46-6,4
Si	непрямая	1,17	1,11
Ge	непрямая	0,75	0,67
Se	прямая		1,74
АIVВIV
SiC 3C	непрямая		2,36
SiC 4H	непрямая		3,28
SiC 6H	непрямая		3,03
АIIIВV
InP	прямая	1,42	1,27
InAs	прямая	0,43	0,355
InSb	прямая	0,23	0,17
InN	прямая		0,7
InxGa1-xN	прямая		0,7-3,37
GaN	прямая		3,37
GaP 3C	непрямая		2,26
GaSb	прямая	0,81	0,69
GaAs	прямая	1,42	1,42
AlxGa1-xAs	x<0,4 прямая, x>0,4 непрямая		1,42-2,16
AlAs	непрямая		2,16
AlSb	непрямая	1,65	1,58
AlN			6,2
АIIВVI
TiO2		3,03	3,2
ZnO	прямая	3,436	3,37
ZnS			3,56
ZnSe	прямая		2,70
CdS			2,42
CdSe			1,74
CdTe	прямая		1,45
CdS			2,4
АIVВVI
PbTe	прямая	0,19	0,31

Запрещённая зо́на — термин из физики твёрдого тела — зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Этот диапазон называют шириной запрещённой зоны и обычно численно выражают в электрон-вольтах.

По ширине запрещённой зоны твёрдые вещества, по их электрическим свойствам, условно разделяют на металлы — тела, где отсутствует запрещённая зона, то есть электроны в таком веществе могут иметь произвольную энергию, полупроводники — в этих веществах ширина запрещённой зоны составляет от долей до 3—4 эВ и диэлектрики — с шириной запрещённой зоны более 4—5 эВ.

Ширина запрещённой зоны

Ширина запрещённой зоны — разность допустимых энергий электронов между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны.

Ширина запрещённой зоны (или, что то же самое — минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости) составляет от нескольких сотых до нескольких электрон-вольт для полупроводников и свыше 6 эВ для диэлектриков. Полупроводники с шириной запрещённой зоны менее ~0,3 эВ принято называть узкозонными полупроводниками, полупроводники с шириной запрещённой зоны более ~3 эВ — широкозонными полупроводниками.

E g {\displaystyle E_{g}} — разность энергии между нижней границей зоны проводимости и верхней границей валентной зоны. Она может оказаться и равной нулю, или даже отрицательной. При E g = 0 {\displaystyle E_{g}=0} зоны проводимости и валентная соприкасаются p = 0 {\displaystyle p=0} , и для возникновения электронно-дырочной пары не требуется энергия, поэтому концентрация носителей (а с ней и электропроводность вещества) оказывается отличной от нуля при сколь угодно низких температурах, как в металлах. Класс таких веществ относят к полуметаллам. К числу их относится, например, серое олово, теллурид ртути. При E g < 0 {\displaystyle E_{g}<0} валентная зона и зона проводимости перекрываются. Пока это перекрытие не слишком велико, рассматриваемое вещество также оказывается полуметаллом. Видимо, так обстоит дело в теллуриде и селениде ртути, а также в ряде других соединений.

Прямозонные и непрямозонные полупроводники

Рассматриваемая в трехмерном пространстве поверхность зоны проводимости (а также и валентной зоны) совсем не выглядит ровной плоскостью. На ней наблюдаются холмы и долины, а иногда и глубокие ямы.

Шириной запрещенной зоны считают всегда минимальное расстояние между самой глубокой долиной зоны проводимости и самым высоким холмом валентной зоны. Но довольно часто случается, что вершина такого холма и дно долины лежат в разных координатах. Такие полупроводники называют непрямозонными. Ну а если дно долины лежит против вершины холма – прямозонными.

Другими словами, потолок валентной зоны для полупроводников, соответствующий экстремуму зависимости E(k), находится в центре зоны Бриллюэна при k=0 (см. §4.3). Дно зоны проводимости в различных полупроводниках может находиться как в центре зоны Бриллюэна при k=0, так и в других точках зоны Бриллюэна при k¹0. Первый тип полупроводников получил название прямозонных (потолок валентной зоны и дно зоны проводимости находятся при k=0), а второй тип полупроводников – непрямозонных (потолок валентной зоны находится при k=0, а дно зоны проводимости при k¹0).

Типичными полупроводниками с прямозонной энергетической структурой являются GaAs, GaP, GaN, InGaAsP. К полупроводникам с непрямозонной энергетической структурой относятся германий Ge и кремний Si. (Гиперссылка 6.4)

Излучательная рекомбинация в этих двух типах полупроводников имеет особенности. При межзонных переходах (рис. 6.5) в непрямозонных полупроводниках необходимо участие третьей частицы с малой энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных переходов (с выделением фотона) с участием трех частиц ниже, чем двух, то, следовательно, в непрямозонных полупроводниках вероятность излучательной рекомбинации будет всегда меньше, чем в прямозонных.

>
Все о светодиодах. Как это работает?

Want create site? Find Free WordPress Themes and plugins.

Что такое светодиод?

Светодиоды образуют неотъемлемую часть в современной электроники, простые показатели для оптических коммуникационных устройств. Светоизлучающие диоды используют свойства р-п перехода и испускают фотоны, когда ток в прямом направлении. Светодиоды специально излучают свет, когда потенциалы приложены к аноду и катоду.

История светодиодов начинается с 1907 года, когда капитан Генри Джозефа наблюдал особенности электро-люминесценции карбида кремния. Первый светодиод был разработан в 1962 году. Он был разработан Холоньяк, работал в General Electric (GE). Это был GaAsP устройства. Первая коммерческая версия светодиодов пришли на рынок в 1960-х годов.

Изготовление светодиодной технологии произвела бум в 1970-е годы с введением арсенида галлия алюминия (GaAlAs). Эти светодиоды высокой яркости и во много раз ярче, чем старая рассеянного типа. Синие и белые светодиоды были введены в 1990 году, в котором используется индия нитрида галлия (InGaN) в качестве полупроводника. Белый светодиод содержит неорганический фосфор. Когда голубой свет внутри светодиода попадает на люминофор, он излучает белый свет.

Светодиодная технология

Яркость является важным аспектом LED. Глаз человека имеет максимальную чувствительность к свету около 550 нм в области желто — зеленой части видимого спектра. Именно поэтому зеленый светодиод излучается ярче, чем красный светодиод, хотя оба используют тот же ток. Важные параметры светодиодов являются:

• Световой поток
  Указывает на энергии света, исходящего от светодиодов. Он измеряется в Люмен (лм) или Милли просвет (MLM)
• Световая интенсивность
  светового потока, охватывающий большую площадь является силой света.Он определяется как Кандела (кд) или милли Кандела (MCD) Яркость светодиода напрямую связана с его силой света.
• Светоотдача
  Это испускаемых относительной световой энергии к потребляемой мощности.Она измеряется в терминах люмен на ватт (лм Вт).

Прямой ток, прямое напряжение, угол обзора и скорость реагирования это факторы, влияющие на яркость и эффективность светодиодов. Прямой ток (I) является ток, протекающий через светодиод, когда он смещен в прямом направлении и он должен быть ограничен от 10 до 30 миллиампер, если выше то светодиоды будут уничтожены.

Угол обзора составляет от — угол оси, при котором световая интенсивность падения до половины осевого значения. Вот почему индикатор показывает больше яркости в полном объеме состоянии. Высокие яркие светодиоды имеют узкий угол обзора, так что свет фокусируется в пучок. Рабочее напряжение (V) является падение напряжения на светодиоде. Падение напряжения в диапазоне от 1,8 В до 2,6 вольт для обычных светодиодов, но в голубой и белый он будет идти до 5 вольт. Скорость отклика представляет, как быстро светодиод включается и выключается. Это очень важный фактор, если светодиоды используются в системах связи.

Требуется ли балластный резистор?

Светодиоды всегда подключены к источнику питания через резистор. Этот резистор называют «балластный резистор», которая защищает диод от повреждений, вызванных избыточным током. Он регулирует прямой тока на светодиод для безопасного предела и защищает ее от жжения.

Номинал резистора определяет прямой тока и, следовательно, яркость светодиодов. Простое уравнение Vs — Vf — используется для выбора резистора. Vs представляет входное напряжения цепи, Vf прямое падение напряжения светодиода(ов) при допустимом токе через светодиод. Полученное значение будет в Омах. Лучше ограничить ток до безопасного предела 20 мА.

Приведенная ниже таблица показывает прямое падение напряжения на светодиоде.

Красный	Оранжевый	Желтый	Зеленый	Синий	Белый
1,8 В	2 V	2,1 В	2,2 В	3,6 В	3,6 В

Через типичный светодиод может пройти 30 -40 мА безопасный ток через него .Номинальный ток, чтобы дать достаточную яркость, стандартный красный светодиод 20 мА. Но это может быть 40 мА для синего и белого светодиода. Ограничение тока балластным резистором защищает диод от избыточного тока, протекающего через него. Значение балластного резистора должны быть тщательно отобраны, чтобы предотвратить повреждение светодиодов, а также получить достаточную яркость при токе 20 мА. Следующее уравнение объясняет, как выбирать балластный резистор.

R = V / I

Где R — является значение сопротивления в Ом, V — является входное напряжение в цепи, и I — это допустимый ток через светодиод в амперах. Для типичного красного светодиода, прямое падение напряжения составляет 1,8 вольта. Таким образом, если напряжение питания 12 В (Vs), падение напряжения на светодиод 1,8 В (V) и допустимый ток составляет 20 мА (Если), то значение балластного резистора будет

Vs — Vf / Если = 12 — 1,8 / 20 мА = 10,2 / 0,02 = 510 Ом.

Но если 510 Ом резистор не доступен то можно подобрать ближайший, например 470 Ом резистор может быть использован даже если ток через светодиод слегка увеличивается. Но рекомендуется использовать 1 K резистор для увеличения срока службы светодиодов, хотя там будет небольшое снижение яркости.

Ниже готова арифметические для выбора ограничительного резистора для различных версий светодиодов при различных напряжениях.

Напряжение	Красный	Оранжевый	Желтый	Зеленый	Синий	Белый
12 V	470 Ω	470 Ω	470 Ω	470 Ω	390 Ω	390 Ω
9 V	330 Ω	330 Ω	330 Ω	330 Ω	270 Ω	270 Ω
6 V	180 Ω	180 Ω	180 Ω	180 Ω	120 Ω	120 Ω
5 V	180 Ω	150 Ω	150 Ω	150 Ω	68 Ω	68 Ω
3 V	56 Ω	47 Ω	47 Ω	33 Ω	—	—

С добавлением других цветов

Светодиод, который может дать разные цвета полезно в некоторых приложениях. Например, светодиоды могут указывать на все системы OK, когда он становится зеленой, и неисправный, когда он становится красной. Светодиоды, которые могут производить два цвета называются Bicolour (Биколор) светодиодов.

Двухцветный светодиодный охватывает два светодиода (обычно красный и зеленый) в общем пакете. Два кристалла установлены на двух клеммах. Двухцветный светодиодный дает красный цвет, если ток проходит в одном направлении и становится зеленым, когда направление тока меняется на противоположное.

Триколор и многоцветные светодиоды , также доступны, которые имеют два или более кристаллов, заключенных в общий корпус. Трехцветный светодиодный имеет два анода для красного и зеленого кристалла и общим катодом. Таким образом, он излучает красный и зеленый цвета в зависимости от анода, в котором имеется ток. Если оба анода подключены, то светодиоды испускают свет и получается желтый цвет. Общий анод и отдельные светодиоды типа катода, также имеются.

Двухцветный индикатор светится разными цветами , начиная от зеленого через желтый, оранжевый и красный основной на ток, протекающий через их аноды, выбрав подходящий резистор для ограничения тока анода. Многоцветные светодиоды содержат более двух чипов, обычно красного, зеленого и синего чипы-в одном корпусе. Мигание разными цветами светодиодов, теперь доступны с двумя выводами. Это дает радугу цвета, которые являются весьма привлекательным.