Курсовая работа: Расчет и проектирование светодиода

Рисунок 2.3 Графический расчет световой мощности

Тогда световая эффективность определится как отношение световой мощности к оптической:

Ev=Fv/Fe (2.5)

где Fe, Fv - интегралы функций Fe(λ), Fv(λ).

Максимальное значение световой эффективности приходится на длину волны 555 нм и составляет 683 лм/вт.

Теперь, зная энергетическую и световую эффективность, можно определить общую эффективность:

E=Ee*Ev (2.6)

На рисунке 2.4 показана структурные составляющие эффективности светодиода:

Рисунок 2.4 Структурные составляющие эффективности светодиода.

Вернемся к примеру со светодиодом NSPL500S. Рассчитанная вышеуказанным способом световая эффективность этого светодиода составляет 320 лм/вт. Ранее рассчитанная общая эффективность составляет E=6.5 лм/вт. Тогда энергетическая эффективность, или КПД светодиода составит Ee=0.02 (вт/вт), или 2%.

Энергетическая эффективность светодиодного кристалла составляет от 5 до 20%. Существенная доля потерь связана с потерями фотонов при выводе из корпуса светодиода. Чем шире диаграмма направленности светодиода, тем меньше эти потери. Характерные значения КПД светодиодов - от 1 до 10%. Для сравнения, КПД парового двигателя 5 - 7%.

2.2.6 Расчет инжекции не основных носителей тока

В основе работы полупроводниковых светоизлучающих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшие из них: инжекция не основных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо- или гетеропереходом; излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры.

Явление инжекции не основных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов (эти приборы часто называют инжекционными источниками света). Вопросы физики протекания инжекционного тока в р-n-переходах рассмотрены в работах Шокли и многих монографиях. В обобщенном виде инжекция носителей р-п-переходом может быть представлена следующим образом (рисунок 2.5).

Когда в полупроводнике создается р-n-переход, то носители в его окрестностях распределяются таким образом, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев p- и n-типов электроны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n-сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р-стороне. Электрическое поле дипольного слоя создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов [5].

При подаче на р-n-переход электрического смещения в прямом направлении U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область - дырок. Такое диффузионное введение не основных носителей называется инжекцией.

І- зона проводимости; ІІ –запрещённая зона; ІІІ – валентная зона

Рисунок 2.5 - Энергетическая диаграмма, поясняющая механизм действия инжекционного светодиода (а); его яркостная характеристика (б) и эквивалентная схема.

Концентрация инжектированных электронов на границе р-n-перехода и р-области n'(хp) определяется выражением:

п'(Хр)=np·exp(еU/kT),                                                (2.7)

где nр-концентрация равновесных электронов в р-области;

k-константа Больцмана;

Т-температура;

e-заряд электрона.

Концентрация инжектированных носителей зависит только от равновесной концентрации не основных носителей и приложенного напряжения.

Поскольку инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями соответствующей области, то их концентрация п'р в зависимости от расстояния от р-n-перехода изменяется следующим образом (для электронов в р-области):

n'p=n(xp)exp[-(x-xp)/Ln],                                              (2.8)

где Ln - Диффузионная длина электронов.

Как следует из формулы (2.8) концентрация избыточных носителей экспоненциально спадает по мере удаления от р-n-перехода и на расстоянии Ln (Lр) уменьшается в e раз, где e » 2,72 (основание натурального логарифма).

Диффузионный ток In, обусловленный рекомбинацией инжектированных электронов, описывается выражением:

In=eDnnp[exp(eU/kT)-1]/Ln                                    (2.9)

где Dn - коэффициент диффузии электронов. Диффузионный ток дырок In описывается аналогичным выражением. В случае, когда существенны оба компонента тока (электронный и дырочный), общий ток I описывается формулой:

I = (In0 + Iр0)·[exp(eU/kT) - 1],                            (2.10)

где

In0 = eDn·np/Ln; Ip0=eDp*pn/Lp.                    (2.11)

Особенность решения вопросов инжекции при конструировании светоизлучающих диодов, в которых, как правило, одна из областей p-n-структуры оптически активна, т.е. обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения, заключается в том, что для получения эффективной электролюминесценции вся инжекция неосновных носителей должна направляться в эту активную область, а инжекция в противоположную сторону-подавляться [4].

Если активна область р-типа, то необходимо, чтобы электронная составляющая диффузионного тока преобладала над дырочной, а интенсивность рекомбинации в области объемного заряда была низка. Коэффициент инжекции gп , т.е. отношение электронной компоненты тока In0 к полному прямому току I=In0+Ip0, определяется по формуле:

gn=LpNd/[LpNd+(Dp/Dn)·LnNa],                   (2.12)

где Nd и Na - концентрации доноров и акцепторов в л- и р -областях.

Из выражения (2.6) следует, что для получения величины gп, близкой к 1, необходимо, чтобы Nd>>Na, Lp>Ln, Dn>Dp. Решающую роль, безусловно, имеет обеспечение соотношения Nd>>Na. Однако повышение концентрации носителей в инжектирующей области имеет свои пределы. Как правило, значения Nd (или Na) не должны превышать (1-5)·I019 см-3, так как при более высоком уровне легирования возрастает концентрация дефектов в материале, что приводит к увеличению доли туннельного тока и ухудшению, тем самым, инжектирующих свойств р-n-перехода [2]. Как будет видно из дальнейшего изложения, для повышения внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в прямозонных полупроводниках необходимо повышать концентрацию носителей и в активной области, в связи с чем возникают дополнительные трудности с обеспечением одностороннего характера инжекции. Таким образом, в гомопереходах существуют трудности по обеспечению высокого коэффициента инжекции носителей в активную область, обусловленные противоречивыми требованиями к легированию p- и n-областей структуры для достижения высокого коэффициента инжекции и максимального квантового выхода электролюминесценции в активной области. В некоторых полупроводниках высокий коэффициент инжекции носителей в одну из областей р-n-перехода может быть обеспечен разницей в подвижности электронов и дырок. Так, в GaAs и других прямозонных соединениях высокий коэффициент инжекции электронов в р-область может быть осуществлен за счет более высокой подвижности электронов.

Светодиод должен иметь резистор последовательно соединенный в его цепи, для ограничения тока, проходящего через светодиод, иначе он выйдет из строя практически мгновенно.

Резистор R определяется по формуле :

R = (V S - V L) / I

Рисунок 2.6 - Схема подключения .

V S = напряжение питания

V L= прямое напряжение, расчётное для каждого типа диодов (как правило от 2 до 4 волт)

I = ток светодиода (например 20мA), это должно быть меньше максимально допустимого для выбраного диода

Например: Если напряжение питания V S = 9 В, и есть красный светодиод (V = 2V), требующие I = 20мA = 0.020A,

R = ( 9 В) / 0.02A = 350 Ом.

Вычисление светодиодного резистора с использованием Закон Ома

Закон Ома гласит, что сопротивление резистора R = V / I, где :

V = напряжение через резистор (V = S - V L в данном случае)

I = ток через резистор

Итак R = (V S - V L) / I =(9В-3,6В)/0,02А=270Ом.

В ходе данной курсовой работы:

были рассмотрены свойства светоизлучающих диодов, а также их типы, устройство, светоизлучающий кристалл и полупроводниковые материалы, используемые в производстве ;

были произведены расчеты некоторых параметров светодиода, а именно рассчитана эффективность светодиода, инжекции не основных носителей и нагрузочного резистора.

В ходе данных расчетов было установлено, что эффективность бывает, как приблизительная, так и уточнённая (E1=4.78 лм/Вт и E2=6.5 лм/вт). Был рассмотрен теоретический расчет инжекции не основных носителей в светодиодах и приведён пример расчёта светодиодного резистора (R=270 Ом).

Данные расчеты необходимы при проектировании, выборе и применение в какой либо цепи, светодиода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин “Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. / Справочник.”- М.: Энергоатомиздат, 1984 г..

2.  Коган Л.М. Дохман С.А. Технико-экономические вопросы применения светодиодов в качестве индикации и подсветки в системе отображения информации. – Светотехника, 1990 – 289с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8