Ministerul Educaiei al Republicii MoldovaUniversitatea de Stat din MoldovaFacultatea de Fizic i InginerieCatedra de Fizica Aplicat i Informatic

Referat la Dispozitive OptoelectroniceTema: Diode electroluminiscente.

Elaborat de ctre Verificat de catreStudenta an III, gr. 3.1 F dr. habil.,Specialitatea fizica prof. universitarCazac Veronica Gain Petru

Chiinu, 2015Cuprins:

1. Diode electroluminiscente. Definiia. Principiul de funcionare.

2. Semiconductori.

3. Radiaia luminoas i benzile de energie.

4. Radiaia luminoas i jonciunea pn.

5. Principiul de funionare a unui LED

6. Configuraia spaial a radiaiei LED.

7. Timpul de via, timpul de cretere/descretere i banda de frecvene8. Mrimi caracteristice diodelor electroluminiscente9. Eficiena optic

10. Metode pentru majorarea eficienei de funcionare a dispozitivelor.

11. Aplicaii

1. Diode electroluminiscente. Definiie. Principiul de funcionare.Dioda electroluminiscenta (LED-light emitting diode) este o diod semiconductoare ce emite lumin la polarizarea direct a jonciuni p-n. Efectul este o form de electroluminescen. Un LED este o sursa de lumina pe o suprafaa mica(mai putin de 1 mm2) adesea cu un sistem optic adaugat pe cip pentru a da o form radiaiei si a ajuta in reflexie. Culoarea luminii emise depinde de compoziia si conditiile materialului semiconductor folosit,si poate fi infrarosu,vizibil sau ultraviolet.De altfel,in afara luminarii,aplicatii interesante includ folosirea LEDurilor UV pentru sterilizarea apei si dezinfecia dispozitivelor,si ca o sursa de lumina mai mare pentru a spori fotosinteza plantelor(fig.1 si fig.2)

LED-ul are ca principiul de funcionare transformarea energiei electrice n energie luminoas.

2. Semiconductorii.Semiconductorii sunt materiale ce constau din atomi strns legai ntre ei n cadrul unei reele cristaline. n fiecare atom exist muli electroni, dar propietile semiconductorului sunt date doar de electronii care se afl n atomi pe cele mai exterioare orbite(fig.3)

3. Radiaia luminoas i banzile de energien semiconductori se disting dou benzi energetice: banda de valen (de energii joase) i banda de conducie (de energii mai mari). Ele sunt separate printr-o band interzis, Eg , n care nu exist nici un nivel energetic permis (adic nu poate exista nici un electron).Prin urmare electronii pot fi ori n banda de valen, ori n banda de conducie, dar nu pot fi ntre ele(fig.4)

Cnd un electron cade de pe un nivel energetic superior pe unul inferior, el elibereaz o cuant de energie numit foton. Relaia dintre variaia de energie, E, energia fotonului, Ep i lungimea de und este:E = Ep = hc Aceast idee se pstraz i pentru un semiconductor. Dac un electron excitat cade din banda de conducie n banda de valen, este eliberat un foton a crui energie, Ep , este mai mare sau egal cu banda interzis, Eg . Deoarece la procesul de radiaie pot participa mai multe nivele energetice din banda de conducie i banda de valen, lungimile de und radiate i pot fi multiple. Prin urmare putem scrie Ep Eg , sau sub o alt form i hc Eg (dac Eg este msurat n eV i n nm, atunci i 1248 Eg ).Rezultatul acestei radiaii multivalente este un spectru larg, , a luminii emise de un semiconductor,

Fig.5Materialele semiconductoare se comport la temperaturi joase ca nite izolatori, un cmp electric aplicat nu poate mica electronii deoarece ei nu au n vecintate stri energetice libere n care s poat trece pe seama energiei primite de la cmp. La temperaturi ridicate ns, chiar la temperatura camerei, un numr important de electroni pot trece, pe seama energiei termice, din BV n BC ( de fapt se rupe legtura unui electron cu un atom anume), devenind liberi s se mite prin cristal4. Radiaia luminoas i jonciune p-nCnd un semiconductor de tip n este pus n contact cu unul de tip p, se formeaz o jonctiune p-n. La frontiera jonciunii, electronii difuzeaz din partea n n partea p i se recombin cu golurile de aici i, n acelai timp, golurile din partea p difuzeaz n partea n i se recombin cu electronii de aici. n consecin se formeaz o regiune srcit de purttori, n care nu exist nici electroni liberi, nici goluri libere. Ionii pozitivi din partea n i cei negativi din partea p a acestei regiuni, rmin necompensai ceea ce determin apariia unui cmp electric intern numit potenial de contact i descris cantitativ prin tensiunea de srcire (fig.6)

Lucrul cel mai important de reinut este c: recombinarea electron-gol elibereaz o cuant de energie - un foton. Prin urmare, pentru a face un semiconductor s radieze este necesar s susinem recombinarea electron-gol. Dar tensiunea de srcire mpiedic electronii i golurile de a intra n regiunea srcit. Prin urmare trebuie furnizat energie din exterior pentru a nvinge aceast barier a tensiunii de srcire. Aceast tensiunea exterioar, numit tensiune direct de polarizare, V, este artat n fig.7 ea trebuie s fie mai mare dect VD.

Pentru a obine o emisie permanent de lumin, trebuie s aib loc urmtorul process dinamic: electronii mobili din partea n, atrai de terminalul pozitiv al tensiunii V, intr n regiunea sracit. Simultan, golurile mobile din regiunea p, atrase de terminalul negatival tensiunii V, intr in aceeai regiune srcit. Recombinarea electron-gol din interiorul regiunii srcite produce lumina. Sarcinile electrice se refac din sursa de alimentare.

5. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE A UNUI LED Un LED este o diod semiconductoare care funcioneaz exact pe principiul prezentat mai sus al emisiei permanente de lumin. Acest concept este demonstrat de circuitul din figura dat mai jos.Observaie: recombinarea electron-gol este un proces care are loc n orice diod sau tranzistor. Care este diferena dintre un LED i o diod obinuit ?

Diferena este c n diodele obinuite, aceast recombinare elibereaz energie sub form de cldur - nu sub form de lumin (adic ntr-un alt domeniu al spectrului). ntr-un LED, aceste recombinri elibereaz energie sub form de lumin. Recombinarea generatoare de caldur se numete neradiativ, n timp ce recombinarea generatoare de lumina se numete radiativ. n realitate, n orice diod au loc ambele tipuri de recombinri; cnd majoritatea recombinrilor sunt radiative, avem un LED.Curentul direct injecteaza electroni n regiunea srcit de purttori, unde ei se recombin cu golurile n mod radiativ sau neradiativ. Prin urmare, recombinrile neradiative "consum" din electronii excitai necesari recombinrii radiative, ceea ce scade eficiena procesului. Acest fapt este caracterizat prin eficiena cuantic intern, int , parametru care arat ce fracie din numrut total de electroni excitai produce fotoni. Explicaiile de mai sus justific caracteristica intrare-ieire a unui LED prezentat n fig.8

Raionamentul de mai sus poate fi formalizat astfel: puterea luminoas, P, este energia per secund, adic numrul de fotoni nmulit cu energia unui foton, Ep . Numrul de fotoni este egal cu numrul de electroni injectai, N, nmulit cu eficiena cuantic intern. Astfel:P = (NintEp ) /t Pe de alt parte, numrul de electroni (N) nmulit cu sarcina unuielectron (e) , pe secund, este intensitatea curentului electric:I = Ne t Deci, puterea luminoas radiat va fi:P = ((It e)intEp ) t = [(intEp e)]I Dac msurm Ep n electron-voli, eV, i curentul I n mA, atunci:P(mW) = (intEp (eV))I(mA) LED-urile comercializate sunt realizate pe heterostructuri, adic dioda este realizat pe mai muli semiconductori, fiecare avnd o banda interzis diferit. n fig.10 este prezentat o heterostructur fcuta din doi semiconductori diferii.

6. Configuraia spaial a radiaiei LEDDistribuia spatial a puterii radiate este descrisa de formula: P = P0 cos unde este unghiul dintre direcia de observaie i dreapta perpendicular pe suprafaa de radiaie. Jumtate din puterea unei surse Lambertiene este concentrat ntr-un con de 120(fig.11)

Spectrul radiaiei unui LEDLungimea de und radiat depinde de banda interzis a semiconductorului. Nu putem schimba banda interzis, prin urmare pentru a obine o alt lungime de und trebuie s alegem un alt semiconductor. O enrgie Eg dorit se obine utiliznd un semiconductor(fig.12)Cuplajul luminii n fibrCheia pentru ct de departe putem transmite lumina printr-o fibra nu este ct de puternica este sursa ci cit din puterea acesteia putem cupla n interiorul fibrei.Citirea datelor de catalog ale unui LEDLungimea de und a radiaiei si ltimea spectralLungimea de und radiat, adesea numit lungimea de unda de vrf, p , este determinat de banda interzisa, Eg

7. Timpul de via, timpul de cretere/descretere i banda de frecvenePentru un LED, acest parametru arat cum urmrete pulsul de lumin de la ieire pulsul electric modulator de la intrare

Timpul de cretere/descretere este determinat de capacitatea LED-ului (C), de amplitudinea treptei de curent de la intrare (Ip ) i de timpul de via () i se poate calcula cu relaia: t r = [2.2 ( + 1.7 10 T KC )/Ip]unde TK este temperatura absolut n kelvini (0C = 273K). Pentru o valoare mare a luiIp , al doilea termen devine neglijabil i timpul de cretere este determinat, in ultim instan de timpul de via. Fabricanii prefer s msoare acest timp, valorile tipice ncadrndu-se ntre 2 i 4 ns.

9.Eficiena optica i pierderile de radiaieEficiena optic sau eficiena extraciei radiaiei presupune ca o parte ct mai mare din radiaia rezultant din recombinarea radiant s fie scoas n afara cristalului. Acest proces este limitat de o serie de pierderi optice care au loc n cristal i la suprafaa lui. n continuare vom prezenta cteva din fenomenele care reduc eficiena radiaiei emise.-Autoabsorbia-Pierderi prin reflexie normal(Fresnel).-Pierderi prin reflexie total sau pierderi la unghi critic.10. Metode pentru majorarea eficienei de funcionare a dispozitivelor.Eficiena poate fi mrita prin reducerea pierderilor optice la reflecie, adic daca materialul optic deasupra cristalului are o forma potrivita atunci unghiul Bruster se marete i mai multa lumina iese din LED, adica se mareste eficienta. Se mai poate micora autoabsorbtia luminei emise prin folosirea heterojonctiunilor.11. AplicaiiDispozitive care folosesc LED Surse de lumina Felinare de strada Lumina decorativa a cladirilor Iluminarea ecranelor LCD Iluminarea incaperilor Lanterne, flash a camerei Dispozitive de ridicare a dispozitiei (mood lamps, led cubes, led candles) Indicatore si semnalizatoare Indicatoarele starii unor dispositive Semafoare, Indicatoare alphanumerice, Matrice de LED Transfer de date && izolare galvanica Transfer de date IR (remote control), Optocupluri1