5.8. Удельное сопротивление p- и n-областей р-n-перехода

5.8.1. Удельную проводимость можно оценить зависимостями:

для электронного полупроводника

; (19)

для дырочного полупроводника

, (20)

где μ_n и μ_p – подвижность электронов проводимости и дырок.

Концентрации основных носителей много больше концентрации неосновных, поэтому проводимость полупроводников можно рассчитать по приближенным формулам:

Подвижности носителей заряда μ_n и μ_p зависят от температуры T и концентрации примесей N_D и N_A в областях, образующих электронно-дырочный переход. В данной работе будем учитывать только температурное изменение подвижности носителей заряда:

. (23)

. (24)

Для арсенида галлия:

5.8.2. Удельные объёмные сопротивления p и n- областей вычисляются по формулам:

(26)

5.9. Определение обратного тока в переходе

5.9.1. Обратный ток (ток насыщения или ток экстракции идеального p-n-перехода) зависит от многих параметров: площади перехода S, коэффициентов диффузии электронов и дырок (D_n и D_p), диффузионных длин неосновных носителей (L_p и L_n) или:

(27)

5.9.2. Коэффициенты диффузии зависят от температуры и подвижности µ свободных носителей заряда (23)…(25):

5.10. Сила тока и сопротивление p-n-перехода при заданном внешнем напряжении

5.10.1. Сила тока в переходе I и приложенное к переходу внешнее напряжение U связаны уравнением вольт-амперной характеристики электрического перехода:

5.10.2. Статическое сопротивление p-n-перехода – отношение постоянного внешнего напряжения, приложенного к переходу, к току, протекающему в переходе:

(30)

При обратном напряжении I = – I₀.

6. Исходные данные для комплексного задания

№ вар.

материал

t ºC

ND, м–3

NА, м–3

U, В

S, м–3

№ вар.

материал

t ºC

ND, м–3

NА, м–3

U, В

S, м–3

№ вар.

материал

t ºC

ND, м–3

NА, м–3

U, В

S, м–3

7. Пример решения комплексного задания

Вариант 100

Задача 1. Для заданного полупроводникового материала при заданной температуре определить:

\ ширину запрещенной зоны ΔW;

\ эффективные массы электронов и дырок m_n и m_p;

\ эффективные плотности состояний в зоне проводимости N_c и в валентной зоне N_v;

\ равновесные концентрации подвижных носителей зарядов n_i = p_i в собственном полупроводнике.

1. Переводим заданное значение температуры в градусы Кельвина

Т[K] = t ºC + 273 = 20 + 273 = 293 K.

1.2. Ширина запрещенной зоны при заданной температуре для Si

где β – экстраполированный член, α – коэффициент температурного изменения ширины запрещенной зоны.

1.3. Эффективная масса электрона проводимости

Эффективная масса дырки

1.4. Среднее геометрическое значение эффективных плотностей энергетических состояний в зоне проводимости и валентной зоне

=

1.5. Равновесные концентрации электронов и дырок n_i = p_i:

Задача 2. Определить концентрации основных и неосновных носителей при легировании полупроводникового кристалла донорными или акцепторными примесями с концентрациями N_Д и N_А.

2.1. Концентрация основных носителей (электронов) в электронном полупроводнике

2.2. Концентрация неосновных носителей (дырок) в электронном полупроводнике

2.3. Концентрация основных носителей (дырок) в дырочном полупроводнике

2.4. Концентрация неосновных носителей (электронов) в дырочном полупроводнике

Задача 3. Определить положение уровня Ферми в собственном полупроводнике, электронном и дырочном полупроводниках. Построить энергетические диаграммы полупроводников в масштабе по оси энергий.

3.1. Уровень Ферми в собственном полупроводнике находится приблизительно в середине запрещённой зоны и, при условии W_c = 0 , определяется выражением:

= 0,5734 эВ.

3.2. Уровень Ферми в примесном полупроводнике p-типа определяется выражением:

= 0,9926 эВ.

3.3. Уровень Ферми в примесном полупроводнике n-типа определяется выражением:

= 0,5609 – 0,3736 эВ.

3.4. Энергетические диаграммы – на рис. 6 и 7.

Задача 4. Определить высоту потенциального барьера φ_k0 при образовании идеального электронно-дырочного перехода в состоянии равновесия.

Высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов) в идеальном электронно-дырочном переходе в состоянии равновесия

= 0,02526·ln7,02·10¹³ = 0,02526·31,88 = 0,8053 B.

Рис. 6. Энергетическая диаграмма полупроводника р-типа

Рис. 7. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа

Задача 5. Определить ширину электронно-дырочного перехода δ₀ и размеры обедненных слоев р- и n-областей в состоянии равновесия. Построить энергетическую диаграмму электронно-дырочного перехода в состоянии равновесия, принимая за начало отсчета нижний уровень зоны проводимости или верхний уровень валентной зоны.

5.1. Ширина идеального электронно-дырочного перехода в состоянии равновесия δ₀ определяется выражением:

где ε₀ = 8,85·10^–12 Ф/м – электрическая постоянная; ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника:

ε_Ge =16, ε_Si =12, ε_GaAs = 13,1.

5.2. Размеры обедненных слоев р- и n- областей (δ_р0, δ_n0) в состоянии равновесия зависят от концентраций донорных и акцепторных примесей:

Проверяем

5.3. Энергетическая диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия – на рис.8.

Рис.8 – энергетическая диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия

Задача 6. Определить высоту потенциального барьера Δφ, ширину электронно-дырочного перехода δ и размеры обедненных слоев р- и n-областей (δ_р, δ_n) при подаче на переход внешнего напряжения U. Построить энергетическую диаграмму электронно-дырочного перехода при подаче на него прямого или обратного напряжения.

Определение параметров перехода при подаче внешнего напряжения

6.1. При подаче внешнего обратного напряжения высота потенциального барьера в p-n-переходе увеличивается: Δφ = φ_k0 – U = 0,8053 – (–5) = 5,8053 В.

Уровень Ферми в пределах p-n перехода смещается на величину поданного фиксированного внешнего напряжения U.

6.2. При подаче внешнего обратного напряжения ширина электронно-дырочного перехода увеличивается:

6.3. Размеры обедненных слоев р- и n- областей:

Проверяем δ = δ_p + δ_n = 0,8365 + 0,08365 = 0,92015 ≈ 0,92.

6.4. Энергетическая диаграмма p-n-перехода при подаче внешнего обратного напряжения – на рис. 9.

Рис.9 – Энергетическая диаграмма p-n-перехода

Задача 7. Определение емкостей перехода

Суммарная ёмкость р-n-перехода C складывается из барьерной ёмкости C_б и диффузионной ёмкости C_д. Диффузионная ёмкость оказывает влияние при прямом включении. Так как, в заданном варианте – включение обратное, то рассчитываем только барьерную емкость перехода

Задача 8. Удельные проводимости р и n-областей электрического перехода

8.1. Подвижность носителей заряда μ_n и μ_p зависит от температуры Т и концентрации примеси N_д и N_a в областях, образующих электронно-дырочный переход. Здесь будем учитывать только температурное изменение подвижности носителей заряда:

Для кремния:

8.2. С учетом того, что концентрации основных носителей много больше концентрации неосновных, проводимости полупроводников можно рассчитать по приближенным формулам:

для электронного полупроводника

= 10²²·1,602·10^–19·0,145 = 232,29 См/м;

для дырочного полупроводника

=

8.3. Удельные объёмные сопротивления p и n-областей

Задача 9. Определение обратного тока в переходе

9.1. Коэффициенты диффузии зависят от температуры и подвижности носителей заряда

9.2. Обратный ток (ток насыщения или ток экстракции идеального p-n перехода):

Задача 10. Сила тока и статическое сопротивление при заданном внешнем напряжении

10.1. Сила тока в переходе I и приложенное к переходу внешнее напряжение U связаны уравнением вольт-амперной характеристики электрического перехода:

.

При обратном включении

.

10.2. Статическое сопротивление p-n-перехода:

Задача 11. Опишите методы изготовления, принцип действия p-n-перехода при прямом и обратном включении.

Список рекомендованной литературы

1. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. Учебник для вузов. – СПб.: Издательство «Лань», 2003. – 480 с.

2. Бреус А. И., Савченко К. И., Сподобаев Ю. М. Электроника. Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 158 с.

3. Электронные приборы. В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Дёмин и др./ Под ред. Г. Г. Шишкина. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 496 с.

4. Пасынков В. В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. – СПб.: Издательство «Лань», 2001.

5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с испан. С. И. Баскакова/ Под ред. В. А. Терехова. – М.: Высшая школа, 1991.

6. Петров К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2003. – 511с.

7. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб.пособие для вузов- 2-е изд., переработ. и доп. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, - 2ОООг..-488с.

8. Щука А.А. Электроника. Учебн. пособие под ред. проф. А.С. Сигова. СПб: БХВ – Петербург, 2005г.-800с.

9. Яровой Г.П. и др. Основы полупроводниковой электроники. Учебное пособие. Самара, 2003.

10. Захаров А.Г. Физические основы микроэлектроники. Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 1999. -221с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Некоторые определения и понятия электроники

Диод – электро-преобразовательный прибор, содержащий, как правило, один электрический переход и два вывода для подключения к электрической цепи. В качестве выпрямляющего перехода в диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или контакт между металлом и полупроводником (переход Шоттки). В зависимости от назначения и выполняемых функций диоды делят на выпрямительные, импульсные, варикапы, стабилитроны, стабисторы и пр.

Условные обозначения диодов на принципиальных электрических схемах

диод	стабилитрон	обращенный диод	диод Шоттки	варикап	туннельный диод

	светодиод	фотодиод	диод Ганна	выпрямительный диод

Выпрямительный диод – предназначен для преобразования переменного тока в постоянный (однополярный).

Обозначение выпрямительного диода на принципиальных схемах

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании асимметрии вольтамперной характеристики (ВАХ) электрического перехода. Они используются для преобразования переменного двух полярного тока в однополярный – пульсирующий ток.

Рис. П1

Рис. П2

Рис. П3

Рис. П4

Информацию об электрических свойствах выпрямительных диодов можно получить из ВАХ. На рис. П1 – ВАХ выпрямительных диодов, выполненных из германия – Ge (кривые 1, 6), кремния – Si (кривые 2, 5), арсенида галлия – GaAs (кривые 3, 4). Если сравнить прямые ветви трех диодов, изготовленных из разных материалов, с разной шириной запрещенной зоны, то у диода с большей ΔW больше высота потенциального барьера. Следовательно, прямой ток через диод из материала с большей шириной ΔW меньше при одинаковом прямом напряжении.

Рис. П5

Рис. П6

Рис. П7

Рис. П8

С увеличением концентрации примесей высота потенциального барьера увеличивается, а значит, прямой ток (при прямом напряжении) меньше – рис. П5, кривая 2. С увеличением температуры прямое напряжение уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n-перехода и с перераспределением носителей заряда по энергиям – рис. П5, кривая 1.

p n Рис. П9 p n Рис. П10 p n Рис. П11

На рис. П9 – энергетическая диаграмма выпрямительного диода в состоянии равновесия, на рис. П10 – при прямом включении диода, на рис. П11 – при обратном включении. На диаграммах обозначены точками C, K, M – валентная зона, A, D, E, F – зона проводимости, A, C, G, K – запрещенная зона. Ширина p-n-перехода обозначена буквами D - E; контактная разность потенциалов – F - G; уровень Ферми – B, H. Различают 3 типа пробоя диодов: тепловой пробой, лавинный (электрический) и туннельный. Пробой германиевых диодов имеет тепловой характер – рис. П8. С ростом обратного напряжения рост обратного тока вызывает увеличение температуры, усиление процесса термогенерации, повышение концентрации неосновных носителей и еще более резкий рост обратного тока. Подводимая к переходу мощность Рпод становится больше отводимой Ротв, в результате p-n-переход разрушается и диод выходит из строя. Пробивное напряжение германиевых диодов уменьшается с увеличением температуры (Т2 > Т1), а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер – рис. П6. Под действием высокого напряжения электроны ионизируют атомы. При этом число электронов растет лавинообразно, обратный ток резко возрастает. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается (Т1 > Т2).

Лавинный пробой – обратимый, т.е. не разрушает p-n-переход. В режиме электрического пробоя работают стабилитроны.

Стабилитрон (диод Зенера) – полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае – обратимый (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока). Обратное напряжение на стабилитроне в области электрического пробоя (при обратном смещении) слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Диод Зенера предназначен для стабилизации напряжения.

Основные параметры обозначены точками на ВАХ (рис. П2): напряжение стабилизации – D, соответствующий ему ток стабилизации – В, минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min} – А, максимально допустимый ток стабилизации I_{ст max} – точкой С.

В низковольтных стабилитронах с напряжением стабилизации менее 6 В, происходит туннельный пробой (рис. П7?), а пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (α_ст < 0) (Т₂ > Т₁).

	Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах
	Двуханодный стабилитрон

Рис. П12 – ВАХ стабилитронов

Рис. П13

Импульсный полупроводниковый диод – имеет малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды могут работать: от генератора тока, или от генератора напряжений. В первом случае специфический параметр импульсного диода – время установления прямого напряжения диода tуст, равное интервалу времени от момента подачи импульса прямого тока на диод (при нулевом начальном напряжении смещения) до достижения заданного значения прямого напряжения на диоде – рис. П13.

Рис. П14

Во втором случае (генератор напряжений) – один из основных параметров импульсного диода – время восстановления обратного сопротивления tвоc, равное интервалу времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения – рис. П14.

Диод Шоттки (сокращённо ДШ) – полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. В диодах Шоттки используется переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n-перехода, как у обычных диодов).

Шоттки барьер – потенциальный барьер, образуется в приконтактном слое полупроводника, граничащем с металлом. Потенциальный барьер возникает, если работы выхода металла и полупроводника - различные. При контакте полупроводника n-типа с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, работу выхода Ф, металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. Это обусловлено тем, что электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно (при контакте полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей работой Ф, металл заряжается положительно, а полупроводник – отрицательно).

При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U_k = (Ф_м – Ф_п)/е (е – заряд электрона).

Рис. П15 – Энергетическая схема контакта металл-полупроводник: а – полупроводник и металл до контакта; б, в – идеальный контакт металла с полупроводником n- и p-типов; г – реальный контакт; М – металл, П – полупроводник, Д – диэлектрическая прослойка, С – поверхностные электронные состояния; E_вак, E_ν, E_с – уровни энергии электрона у «потолка» валентной зоны, у «дна» зоны проводимости и в вакууме; E_F – энергия Ферми.

Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов U_k создаётся в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрического поля в этом слое таково, что энергия основных носителей заряда в нём больше, чем в толще полупроводника. Это означает, что в полупроводнике n-типа энергетической зоны в приконтактной области изгибаются вверх, а в полупроводнике р-типа – вниз (рис. П15). В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при Ф_м > Ф_п для полупроводника n-типа, или при Ф_м < Ф_п для полупроводника р-типа возникает потенциальный барьер. Высота барьера Шоттки Ф₀ = Ф_м – Ф_п.

металл полупроводник	металл полупроводник

Рис. П15-1 – Энергетическая схема контакта металл-полупроводник: a) n-типа; b) p-типа

В реальных структурах металл-полупроводник это соотношение не выполняется, т.к. на поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрической прослойке между металлом и полупроводником обычно имеются локальные электронные состояния, находящиеся в них электроны экранируют влияние металла так, что внутренне поле в полупроводнике определяется этими поверхностными состояниями. И высота барьера Шоттки не зависит от Ф_м.

Рис. 2.7. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки

Наибольшей высотой обладают барьеры Шоттки, получаемые нанесением на полупроводник n-типа плёнки Au. Ток через барьер Шоттки при наложении внешнего электрического поля создаётся почти целиком основными носителями заряда. Величина тока определяется скоростью прихода носителей из объёма к поверхности или в случае полупроводников с высокой подвижностью носителей – током термоэлектронной эмиссии в металл. Контакты металл-полупроводник с барьером Шоттки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах и смесителях, транзисторах, фотодиодах и др.

Диоды Шоттки широко применяются в современной технике. Основные достоинства:

- обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6 … 0,7 В, диоды Шоттки позволяют снизить это значение до 0,2 … 0,4 В;

- барьер Шоттки имеет маленькую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту;

- выпрямители на диодах Шоттки отличаются пониженным уровнем помех.

Как и все электронные компоненты, диоды Шоттки не идеальны, имеют ряд недостатков:

- при кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя;

- диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.

Реактивные параметры p-n-перехода – барьерная и диффузионная емкости

Барьерная ёмкость преобладает при обратных напряжениях. Барьерная ёмкость имеет высокую добротность, поскольку дифференциальное сопротивление велико. На практике барьерная ёмкость бывает от долей до сотен пкФ. Барьерная ёмкость не зависит от частоты, вплоть до 10¹² Гц.

Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры из-за снижения высоты потенциального барьера.

Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными (неосновными) носителями в базе. Диффузионная ёмкость преобладает при положительных напряжениях. Ёмкость может достигать значений в несколько мкФ.

Варикап (от англ. vari(able) – «переменный», и cap(acity) – «ёмкость») – полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью. Могут использоваться в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Обозначение варикапа на принципиальных схемах

На рис. П16 – зависимость емкости варикапа от обратного напряжения.

Рис. П16 – Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения

Тунне́льный эффект, туннели́рование – преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект – явление исключительно квантовой природы, невозможное и противоречащее классической механике. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т.д.

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Обозначение обращенного диода на принципиальных схемах	Рис. П19 – Зонная энергетическая диаграмма обращенного диода

При определенной концентрации примесей в р- и n-областях диода, можно получить диод, энергетическая диаграмма которого показана на рис. П19. Уровень Ферми при такой концентрации примесей совпадает с потолком валентной зоны р-области и с дном зоны проводимости n-области диода, т.е. потолок валентной зоны р-области и дно зоны проводимости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на одной высоте по энергетической диаграмме.

Обращённые диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению – рис. П18. На рис. П18 б) – ВАХ обращённых диодов, выполненных из Ge , GaAs и GaSb.

ΔW_GaSb = 0,72 эВ, ΔW_Ge = 0,746 эВ.

Рис. П18 а) – ВАХ типичного обращенного диода

Рис. П19 – Зонная диаграмма обращенного диода

Рис. П18 б) – Вольтамперные характеристики обращенных диодов

Рис. П18 в) – ВАХ туннельного и обращенного диодов

Туннельный диод (диод Эсаки) – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками (концентрация примеси N ≈ 1020 см–3). На рис. П19 – ВАХ диодов, выполненных из Ge (а) и GaAs (б). ΔWGaАs = 1,43 эВ; ΔWGe = 0,746 эВ. Особенности туннельного диода: концентрация примеси высокая – в сотни раз больше, чем в выпрямительных диодах; малая толщина перехода (≈ 0,01 мкм). В результате, даже при малых напряжениях напряженность электрического поля достигает величин порядка 106 В/см.

. Полупроводник – вырожденный, то есть уровень Ферми заходит в p-области в валентную зону, а в n-области – в зону проводимости. Энергетическая диаграмма туннельного диода в состоянии равновесия – на рис. П20, в).

Обозначение туннельного диода на принципиальных схемах

Рис. П19. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах: а) германиевый диод 1И403; б) арсенид-галлиевый диод 3И202

Если к переходу приложено прямое напряжение 0 < U < U_п, потенциальный барьер (рис. П20 г) снижается, против занятых уровней n-области появляются разрешенные свободные уровни валентной зоны p-области. Появляется туннельный ток. При U = U_п (пиковое напряжение – точка A на рис. П20) все уровни зоны проводимости n-области окажутся против свободных уровней валентной зоны – прямой туннельный ток максимальный.

Если прямое напряжение станет больше U_п, барьер еще понизится (рис. П20) и часть занятых уровней n-области окажется против запрещенной зоны p-области. Туннельный ток будет уменьшаться. При некотором U = U_в (напряжении впадины – точка C на рис. П20) туннельный ток прекратится.

Рис. П20 а) – Вольтамперная характеристика туннельного диода

Рис. П20 б) – ВАХ туннельного диода 1И104

На рис. П20 а) – в диапазоне напряжений от U₁ до U₂ дифференциальное сопротивление отрицательно.

Рис. П20 в) – Характерные участка на ВАХ туннельного диода

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе, от химического состава использованных в нём полупроводников.

Обозначение светодиода на принципиальных схемах

Полупроводниковые приборы отображения информации – светоизлучающие диоды изготавливаются из широкозонных полупроводниковых материалов ΔW > 1,7 эВ.

Материалы, используемые в светодиодах: Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Фосфор (P), вызывающие свечение в диапазоне от красного до жёлтого цвета. Индий (In), Галлий (Ga), Азот (N) используют для получения голубого и зелёного свечений. Кроме того, если к кристаллу, вызывающему голубое (синее) свечение, добавить люминофор, то получим белый цвет светодиода. Угол излучения также определяется производственными характеристиками материалов, а также колбой (линзой) светодиода.

Рис. П21

На рис. П21 – ВАХ светодиодов, выполненных из материалов: GаAs – кривая 1), GaP – кривая 2), SiC – кривая 3). Ширина запрещенной зоны: ΔWGaAs = 1,43 эВ; ΔWGaР = 2,26 эВ; ΔWSiC = 2,39 эВ. При протекании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда (электроны проводимости и дырки)  рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с верхнего энергетического уровня на более низкий уровень).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона, типа A^IIIB^V (например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают.

Лазерный диод – полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда.