Вентильный фотоэффект в светодиодах.

При рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках (см. работы 15-17) возможно испускание света. Впервые это явление было обнаружено и исследовано О.В.Лосевым в 1922 г. Первые промышленные светодиоды с красным и желто-зеленым свечением были выпущены в 60-70 годы ХХ века. В настоящее время полупроводниковые светодиоды и лазеры стали распространенными* источниками видимого и инфракрасного излучения. Устройство типичных светодиодов показано на рис. 2.1. На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель), в центре (фокусе) которого помещен светоизлучающий кристалл.

Рис. 2.1. Схематичное устройство типичных светодиодов в 5-мм корпусе

В большинстве светодиодов кристалл имеет размеры 0,3 ´ 0,3 ´ 0,25 мм и содержит р- n-переход (см. работу 16) или двойную гетероструктуру (см. работу 17) и омические контакты. Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус, являющийся фокусирующей линзой, вместе с рефлектором определяет угол излучения (диаграмму направленности) светодиода. Потребление энергии светодиодом невелико – при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА мощность меняется от 20 до 120 мВт. При к.п.д. в 5-25% в виде света излучается
 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Светодиоды излучают свет в сравнительно узкой полосе спектра, ширина которого составляет 20-50 нм. Такое излучение называют “квазимонохроматичным”. Цвет излучения определяется энергией фотонов, близкой к ширине запрещенной зоны (см. работу 15). В частности, чистый кристалл арсенида галлия GaAs дает инфракрасное излучение, небольшая добавка Al и/или P делает цвет излучения красным. Зеленый цвет испускает GaP, а композиция AlInGaP дает желтое или оранжевое свечение. Эффективные синие светодиоды с большой шириной запрещенной зоны были разработаны на основе InGaN, подобные светодиоды на основе карбида кремния SiC имели низкий к.п.д. Спектры излучения* некоторых светодиодов, показаны на рис. 2.2. Селективная (избирательная) чувствительность светодиодов к определенным узким интервалам длин волн позволяет с их помощью анализировать (приближенно) спектральный состав излучения без пространственного разделения светового пучка с помощью призм и дифракционных решеток. Массовое применение светодиодов привело к созданию новой отрасли техники - оптоэлектронике.

Рис. 2.2. Спектры излучения светодиодов [6]

Полупроводниковые светодиоды являются удобными и экономичными источниками квазимонохроматичного света с узким спектральным диапазоном. Мощные светодиоды применяются в устройствах сигнализации (светофорах, автосигнализации), для декоративной подсветки и т.д.

При освещении светом (или другим излучением) p - n-перехода возникает вентильный фотоэффект. При отсутствии света p - n-переход находится в равновесном состоянии (см. работу 16) и разности потенциалов между выводами из p - и n-областей нет. При облучении светом в полупроводнике происходит внутренний фотоэффект, при котором фотоны поглощаются с образованием пары электрон-дырка (см. рис. 15.8). Электроны (и дырки), образовавшиеся в р- (и n-) областях, диффундируют к p - n-переходу. Под действием электрического поля двойного электрического слоя, имеющегося в области p - n-перехода, они будут переходить из р-области в n-область, (а дырки из n-области, наоборот, в p-область). Дырки, образовавшиеся в р-области (и электроны в n-области) двойной электрический слой преодолеть не могут и остаются в р-области (электроны – в n-области). Поток электронов из p-области в n-область будет больше обратного потока, в результате p-область приобретет избыточный положительный заряд, а n-область – избыточный отрицательный заряд. На выводах между p- и n-областями образуется разность потенциалов, приложенная в прямом направлении, - создается фото-э.д.с. Это явление используется в фотоэлементах (называемых также солнечными элементами) получающих все большее распространение в качестве источника энергии. Вентильный фотоэффект используется также для регистрации видимого, инфракрасного и других видов излучения. Полупроводниковые детекторы используются для регистрации и счета элементарных частиц [6,7] наряду со счетчиками Гейгера (см. работу 4) и другими детекторами излучений. Главное их достоинство состоит в возможности определения энергии заряженных частиц или фотонов.