Zgradba diode

Dioda je polprevodniški elektronski element. Sestavljena je iz pozitivne in negativne elektrode, kjer ima ena obliko nakovala, druga pa obliko noge. Segata v bučko, ki ima na koncu epoksidno lečo. Na nakovalu katode je polprevodniška plast z odbojnim zrcalom, ki je z žičnato vezjo povezana z nogo anode.

Vir: http://sl.wikipedia.org/wiki/Slika:Svetle%C4%8Da_dioda_LED.jpg
Vrsta licence: Dovoljenje GNU za rabo proste dokumentacije

Delovanje

Svetleča dioda ali LED (light emitting diode) je polprevodnik, sestavljen iz p- in n-tipa prevodnika. Za polprevodnike je značilno, da imajo popolnoma zapolnjen valenčni pas in popolnoma prazen prevodni pas, med katerima je energijska reža. Velikost energijske reže je odvisna od materiala polprevodnika in predstavlja količino energije, ki bi jo morali elektroni prejeti, da bi lahko skočili v prevodni pas in prevajali tok. V našem primeru imamo imamo stik dveh tipov polprevodnika, ki sta dopirana z nečistočami, katerih valenca je za 1 višja (n-tip) ali za 1 nižja (p-tip) od valence materiala polprevodnika. Zaradi teh nečistoč dobimo med valenčnim in prevodnim pasom še donorski in akceptorski nivo. Donorski nivo se pojavi tik pod prevodnim pasom, akceptorski pa tik nad valenčnim pasom. S tem dobimo elektrone v donorskem pasu, ki so lahko že pri sobni temperaturi termično vzbujeni v prevodni pas, ker ne potrebujejo več veliko energije, da premagajo energijsko režo in podobno dobimo vrzeli, ki jih lahko že s termičnim vzbujenjem zasedejo elektroni iz valenčnega pasu. Tedaj imamo elektrone v prevodnem in vrzeli valenčnem pasu, ki nam prevajajo električni tok. Ko p- in n-tip polprevodnika staknemo, nekaj elektronov iz prevodnega pasu zapolni vrzeli v valenčnem pasu in s tem preide v stanje z nižjo energijo ter tako odvečno energijo odda v obliki svetlobe z določeno frekvenco:

E=h∙ν Ko teh nekaj elektronov zapolni vrzeli, tik ob p-n stiku nimamo več nosilcev naboja, ampak vezan naboj, ki predstavlja t.i. zaporno plast oziroma potencial, ki bi ga morali premostiti naslednji elektroni, če bi hoteli naprej zasedati vrzeli v valenčnem pasu. Ustvari se torej neprevodni pas, zaradi katerega tok ne more teči.

Vir: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PnJunction-LED-E.PNG
Vrsta licence: Creative Commons Priznanje avtorstva-Deljenje pod enakimi pogoji 2.5 Generična Avtor: User:S-kei (http://commons.wikimedia.org/wiki/User:S-kei)
Izvirna slika je bila obrezana

Ko diodo priključimo na zunanji vir napetosti in če je napetost dovolj visoka, so elektroni potisnjeni ven iz vrzeli v neprevodnem pasu, torej so spet prosti, in tok lahko spet steče. Vendar pa dioda prevaja le v eno smer. Elektroni, ki zasedejo vrzeli v prej nevtralni p- plasti povzročijo, da je ta plast ob stiku zdaj rahlo negativno nabita. In podobno, primankljaj elektronov v prej nevtralni n- plasti povzroči, da je ta plast rahlo pozitivno nabita. Ta napetost je obratna od napetosti zunanjega vira, če jo priključimo v prevodni smeri. Če bi zunanji vir priključili ravno obratno, bi le še povečali zaporno plast in električni tok še vedno ne bi stekel.

Vir: http://sl.wikipedia.org/wiki/Slika:Semiconductor_band_structure_%28lots_of_bands%29_sl.png
Vrsta licence: Creative Commons Priznanje avtorstva-Deljenje pod enakimi pogoji 3.0 Nedoločena
Avtor: wikipedia sodelavec Nusha (http://sl.wikipedia.org/wiki/Uporabnik:Nusha)

U-I karakteristika

Ko diodo priključimo na vir napetosti v prevodni smeri, se zmanjša zaporna plast na p-n stiku, ki jo lahko obravnavamo kot izolator (torej ima električni dipolni moment (p_e ) in električno polje E_e). Ob priključitni na zunanjo napetost se zato zmanjša tudi električno polje, ki onemogoča prehod elektronov in vrzeli preko p-n spoja. Čim večja je napetost vira, tem manjše je električno polje ki ovira prehode elektronov in vrzeli iz enega v drug tip polprevodnika. Ko zunanja napetost povsem nevtralizira zaporni potencial, tok skozi diodo prične naglo naraščati.

Napetost kolena

Zaradi električnega polja v p-n spoju sta p in n plast na različnih potencialih. Razliki potencialov preko zaporne plasti pravimo potencialni prag. Od njega je odvisna višina napetosti, ki jo moramo priključiti na p-n spoj, da bo dioda prevajala. Napetost, kjer začne tok v prevodni smeri strmo naraščati, pravimo napetost kolena. Ta je odvisna predvsem od materiala polprevodnika ter od števila primesi. Ko prekoračimo napetost kolena, začne tok skozi diodo strmo naraščati. Dioda postane vse bolj prevodna, kar pomeni, da lahko prevelik tok uniči spoje znotraj diode s čimer bo dioda nehala prevajati.

Kako temperatura vpliva na LED?

V kristalu z N atomi se zaradi Paulijevega izključitvenega načela vsaka izmed prvotnih diskretnih energij v izoliranih atomih razcepi v N energijskih nivojev. Energijski nivoji, ki ležijo skupaj in izvirajo iz iste energije v izoliranem atomu, tvorijo energijski pas. V vsakem pasu je lahko 2N elektronov (faktor 2 zaradi spina). Energijski pasovi se lahko prekrivajo ali pa med njimi nastanejo prepovedani pasovi. To so energije, ki jih ne more imeti noben elektron v kristalu. Če je energijska reža med najnižjim nezasedenim (prevodnim) pasom in najvišjim polnim (valenčnim) pasom okoli 1 eV, lahko pri dovolj visoki temperaturi termična energija zadošča, da del elektronov preide v prevodni pas in s tem prevaja električni tok. V tem primeru k prevodnosti prispevajo tako elektroni kot tudi vrzeli, ki nastanejo v valenčnem pasu. Odvečen elektron nečistoče potrebuje zelo majhno energijo (nekaj stotink eV), da se od nje odtrga in skoči v prevodni pas. Tako dobimo dodatni donorski nivo, ki leži tik pod prevodnim pasom. H gostoti elektronov v prevodnem pasu v primeru polprevodnika tipa n prispevajo tudi elektroni, ki so bili termično dvignjeni iz donorskega nivoja. Ker je gostota valenčnih elektronov v polprevodniku približno 10²² cm^-3 in gostota nečistoč tipično med 10¹³ cm^-3 in 10¹⁹ cm^-3, prevladuje pri nižjih temperaturah prevodnost zaradi vzbujenih donorskih elektronov, pri višjih temperaturah pa zaradi valenčnih elektronov, vzbujenih v prevodni pas.

Pričakovane spremembe pri U-I karakteristiki zaradi spremembe temperature:

Pri višanju temperature pričakujemo več nosilcev naboja v prevodnem in valenčnem pasu zaradi večje termične energije (E=kT). Zaradi tega lahko pričakujemo povečan tok oziroma pomik karakteristike proti nižjim napetostim. Za višje temperature je možnih tudi več naključnih generacij elektronov in vrzeli v zaporni plasti, ki bi to plast lahko zožali (ker tako tam ne bi bilo več vezanega naboja), kar bi pomenilo, da je potrebna manjša zunanja napetost, da tok lahko steče oziroma zopet pomik karakteristike k nižjim napetostim. Pri nižjih temperaturah glede na sobno temperaturo, bi pričakovali ravno obratne dogodke kot pri višanju temperature, torej pomik karakteristike proti višjim napetostim.

Pričakovane spremembe pri spektru

Frekvenca in posledično valovna dolžina izsevane svetlobe je odvisna od velikosti energijske reže, ki jo morajo premagati elektroni, da se rekombinirajo z vrzelmi. Velikost energijske reže pa je pogojena z materialom, iz katerega je zgrajen polprevodnik. Torej pri višanju ali nižanju temperature ne pričakujemo nobenih sprememb v spektru izsevane svetlobe, ker je velikost energijske reže neodvisna od temperature.