W krzemie i germanie dominują przejścia skośne.
Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania:
\lambda=\frac{hc}{W_g}
przy czym:
Wg = Wc – Wv – szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,
h – stała Plancka,
c – prędkość światła.
Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej nqz/nnw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa nqw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.
Na rysunku a) przekrój diody elektroluminescencyjnej płaskiej, a na rysunku b) półsferycznej. Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne
q_{kr}= \mathrm{arcsin}\frac{1}{n^{*}}
przy czym n* jest współczynnikiem załamania.
Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji exp[-a(l)x], gdzie a(l) jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, x zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.
Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku omawianej diody płaskiej określa zależność:
\mu_{qz}=\frac{q}{P}\frac{4n^{*}}{(n^{*}+1)^2}(1-\cos\phi_{kr})\frac{\int\Phi(\lambda)[1+R~\exp(-2\alpha_n(\lambda)\chi_n)]~\exp(\alpha_p(\lambda)\chi_p)d\lambda}{\int\Phi(\lambda)d\lambda}
przy czym:
P – moc wejściowa elektryczna;
4n*/(n*+1)² – współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza;
f(l) – strumień fotonów;
R – współczynnik odbicia od kontaktu tylnego;
αn, αp – współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody;
xn , xp – grubość obszaru n lub p diody.
Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.
Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm.
Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski do 950 nm – bliska podczerwień.
Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, arseno-fosforek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego; są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.
Nazwa
Materiał
Barwa
arsenek galu
GaAs
podczerwień
fosforek galu
GaP
czerwona, zielona, żółta
fosforo-arsenek galu
GaAs1-xPx
czerwona, pomarańczowa, żółta
galo-arsenek glinu
AlxGa1-xAs
czerwona, podczerwień
azotek galu
GaN
niebieska, biała (gdy dioda jest pokryta luminoforem, który wzbudzany przez niebieskie światło diody z azotku galu świeci przykładowo na żółto, co w efekcie daje barwę białą z widocznym lekkim niebieskim odcieniem)
Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać 20 – 1500 mA, zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego szeregowo z diodą lub stabilizatora prądu. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania diody. Zalety diod elektroluminescencyjnych:
mały pobór prądu
mała wartość napięcia zasilającego
duża sprawność
małe straty energii
małe rozmiary
duża trwałość
duża wartość luminacji
