Każdy, kto uczy się elektroniki, wie, że diody półprzewodnikowe można podzielić na kilka kategorii, klasyczne diody prostownicze, świecące LEDy, szybkie diody Schottky’ego i stabilizacyjne Zenera. Choć każdy z tych elementów bazuje na tym samym zjawisku zachodzącym w najprostszej strukturze półprzewodnikowego złącza PN, to gdy spróbujemy przyjrzeć się mu nieco bliżej, okaże się, że różnic będzie całkiem sporo. Dzięki nim, których jest na tyle dużo, że można by im poświęcić osobny artykuł, każda z diod stosowana jest w nieco innym miejscu. Projektując zasilacz, aberracją byłoby umieszczenie diod świecących w roli mostka prostowniczego (choć byłby to ciekawy eksperyment) i analogicznie budując urządzenie potrzebujące kolorowych wskaźników, nikt nie będzie stosować w ich roli diod prostowniczych, ale czy na pewno?
Artykuł ten jest pewnego rodzaju kontynuacją materiału o poszukiwaniu światła we wnętrzu transoptora, jeśli jesteście ciekawi czy umieszczane w jego wnętrzu diody rzeczywiście świecą, zachęcam do przeczytania.
Dlaczego diody LED świecą?
Na początek zadajmy sobie jednak pewne proste pytanie – dlaczego diody LED świecą? W kilku słowach można by powiedzieć, że emisja światła jest tak naprawdę efektem straty energii. Każda dioda LED to w rzeczywistość struktura zbudowana z półprzewodnika typu P i N. Oba te obszary krzemu domieszkowane są innymi pierwiastkami, tak aby uzyskać struktury o dominującej liczbie wolnych elektronów – typ N, i w drugim przypadku niedoboru elektronów – typ P, wówczas też mówimy o większej liczbie tak zwanych dziur elektronowych, interpretowanych jako dodatnie nośniki ładunku elektrycznego.
Jeśli dioda nie zostanie spolaryzowana, żadnym konkretnym napięciem to w jej wnętrzu nie będzie dziać się zbyt wiele, ale nie znaczy to, że nie zachodzą tam żadne procesy. W miejscu styku obu rodzajów półprzewodnika nadmiarowe elektrony przeskakują w wolne miejsca, dominujące w krzemie typu P. Zjawisko takiego przejścia nazywane jest rekombinacją, a jego efektem jest powstanie obszaru praktycznie pozbawionego jakichkolwiek wolnych nośników ładunku, któremu towarzyszy niewielkie pole elektryczne, hamujące dalsze podróże pozostałym elektronom. Innymi słowy, można powiedzieć, że niewielka ilość ujemnych nośników ładunku zgromadzona na miejscu styku różnych obszarów domieszkowania przeskoczy na drugą stronę, a powstałe pole elektryczne zablokuje dalsze przenoszenie bardziej oddalonych elektronów.
Aby te mogły się przemieścić, potrzebna jest energia, czyli przykładowo napięcie elektryczne. Jeśli spolaryzujemy diodę LED w kierunku przewodzenia, sprawimy, że powstałe naturalnie pole elektrycznie będzie zbyt słabe, aby zablokować elektrony i te przeskakując warstwę zaporową będą rekombinować z dziurami położonymi co raz dalej i dalej w półprzewodniku typu P. Tym samym przez element popłynie prąd elektryczny, a my zobaczymy światło.
To jest efektem właśnie procesu rekombinacji. Elektrony, które we większości przypadków interpretujemy jako prąd elektryczny, mogą pełnić w diodzie niejako dwojaką funkcję. Część z nich buduje wiązania między pojedynczymi atomami krzemu i dodanej do niego sztucznie domieszki. Mówi się, że tego typu elektrony znajdują się w paśmie walencyjnym. Z drugiej strony mam też całkiem sporo wolnych elektronów, które mogą się poruszać między atomami, o nich mówimy z kolei, że znajdują się w paśmie przewodnictwa. Gdy ujemna cząstka poddaje się procesowi rekombinacji, czyli przeskakuje przez warstwę zaporową półprzewodnika z obszaru typu N do P, bardzo często przechodzi też z pasam przewodnictwa do walencyjnego. Elektrony będące w paśmie przewodzenia dysponują większą energią własną niż te znajdujące się w pasmie walencyjnym, a jako że w naturze wszystko dąży do stanu równowagi, rekombinujący elektron musi zrobić coś z nadmiarem swojej energii.
Ta wyrzucana jest w postaci fotonu, czego efektem jest widoczne dla człowieka światło. Trzeba jednak wiedzieć, że nie wszystkie rekombinujące elektrony emitują światło. Obecne są też tak zwane procesy bezpromieniste, gdzie nadmiarowa energia zamieniana jest w coś w rodzaju drgań sieci krystalicznej półprzewodnika, a w konsekwencji ciepło. Dlatego też żadna dioda LED nie ma 100% sprawności, a tak zwanym elementom mocy zawsze musi towarzyszyć radiator, który odprowadzi nadmiarową energię.
To, w jakim kolorze będzie świecić dioda, zależy od ilości energii, jaki nieść będzie ze sobą wyemitowany foton. Ta z kolei jest pewnym odzwierciedleniem wielkości przerwy energetycznej między pasmem przewodzenia a walencyjnym. Im przestrzeń ta będzie mniejsza, tym mniej energii będą miały fotony, które zinterpretujemy jako barwę bliską kolorowi czerwonemu. Z drugiej strony duża przerwa energetyczna oznaczać będzie emisję światła niebieskiego lub ultrafioletu. Projektując diody LED, inżynierowie starają się uzyskać konkretną wartość energii fotonu, manipulując rodzajami i ilościami materiału półprzewodnikowego i w konsekwencji uzyskując konkretna barwę diody LED.
Czy dioda prostownicza może emitować fotony?
Jak w takim razie działa klasyczna dioda prostownicza? Odpowiedź może być tu nieco nieintuicyjna, ale dokładnie tak samo, jak dioda świecąca. Jedyną różnicą jest tutaj oczekiwany rezultat działania. W LEDzie staramy się, aby jak najwięcej rekombinujących elektronów emitowało fotony, tutaj natomiast nie ma to żadnego znaczenia. Diody prostownicze projektowane są tak, aby jak najlepiej prostować napięcie, ale nie znaczy to, że nie emitują one światła. Wręcz przeciwnie, każda dioda prostownicza tak naprawdę świeci, tylko nieco inaczej niż może się wydawać.
W diodach prostowniczych elektrony przekraczające warstwę zaporową we większości podlegają procesom bezpromienistym, co skutkuje, że elementy te bardziej się grzeją niż świecą. Jednak tutaj również powstają fotony, jednak jest ich o rzędy wielkości mniej niż w diodach świecących. Poza tym w komponentach, których zadaniem jest prostowanie napięcia, wykorzystywane są materiały sprawiające, że szerokość pasma energetycznego jest stosunkowo niewielka, a co za tym idzie, spodziewana energia fotonu również będzie dość mała. Diody prostownicze świecą w zakresie dalekiej podczerwieni, dlatego światła tego nie zobaczymy gołym okiem. Co więcej, nawet jeden z popularnych sposobów ujrzenia podczerwieni nie będzie tutaj skuteczny, ale o tym w dalszej części materiału.
Jako trzech przedstawicieli kategorii diod prostowniczych, których światło postaram się ujawnić, wybrałem klasyczną niewielką diodę 1N5404 oraz dwa nieco większe radzieckie komponenty МД217 i Д226Д. Otwarcie elementów pochodzących z kraju, który dumnie przezwyciężał problemy, które sam stwarzał było stosunkowo proste. Wystarczyła tutaj tylko miniszlifierka i odrobina cierpliwości. Wnętrze ujawniło krzemowy rdzeń przyklejony do jednej ze ścianek diody wraz z przytwierdzonym do niego drugim wyprowadzeniem. Zajrzenie do wnętrza 1N5404 wydawało się nieco trudniejsze, ale wystarczyło umieścić element w imadle i lekko ścisnąć. W wyniku działania zewnętrznej siły obudowa diody pękła, ujawniając dwie metalowe okładziny między którymi umieszczono krzemowy rdzeń.
Jak zobaczyć światło, którego nie widać?
Tak jak wspominałem, zobaczenie podczerwonego światła diody prostowniczej gołym okiem nie jest możliwe. Co więcej w wyniku budowy takiej diody spodziewać się można fali o długości powyżej 1200nm, przez co nie zobaczymy jej nawet obiektywem aparatu w telefonie, co jest jednym z pierwszych sposobów zobaczenie światła IR, który może przyjść nam do głowy. Sposób ten działa w przypadku telewizyjnego pilota, ale trzeba pamiętać, że celem zastosowanej tam diody jest właśnie emitowanie podczerwieni. W przypadku elementów prostowniczych jest to „przypadkowa”, daleka podczerwień o znacznie większej długości fali.
Najprostszym sposobem zobaczenia tego typu unikalnego światła jest zastosować kamerę z usuniętym filtrem IR. W moich eksperymentach postanowiłem poświęcić jeden z modułów dedykowanych Raspberry PI. Po rozklejeniu obudowy zobaczyć można światłoczułą matrycę, na której znajduje się filtr podczerwieni. Jego usunięcie jest stosunkowo proste, ale trzeba uważać, aby przypadkiem nie uszkodzić innych elementów. Tak przygotowaną kamerę wystarczy umieścić przy diodzie prostowniczej, uruchomić podgląd i włączyć napięcie, tak aby przez diodę popłynął niewielki prąd.
W ten oto sposób prezentuje się pierwszy eksperyment z diodą 1N5404. Jak widać, impulsowo załączane napięcie sprawia, że dioda świeci. Jest to właśnie nic innego jak wspominany proces rekombinacji, którego efektem przeskakiwania elektronów z pasma przewodzenia do walencyjnego jest emitowanie światła.
Przy okazji diody Д226Д dość dobrze widoczna jest struktura samego rdzenia, jak i okrągły obszar wokół metalowej elektrody. Tutaj również napięcie załączane jest impulsowo, a dioda świeci w podczerwieni.
W ostatniej diodzie prostowniczej rdzeń umieszczony jest między dwiema okładkami o różnej średnicy, przez co widoczna jest tylko zewnętrzna ścianka krzemu, który tak jak w poprzednich przypadkach również świeci.
Jak widać, diody półprzewodnikowe mogą świecić, a w ich nazwie wcale nie musi być dopisku „elektroluminescencyjna”. Oczywiście traktowanie diody prostowniczej, jako źródła podczerwieni nie ma większego sensu, jest to jednak pewna ciekawostka, że choć celem tych diod nie jest emisja światła, to ze względu na swoją budowę i pokrewieństwo ze zwykłymi LEDami tego typu elementy również mogą emitować fotony. Co więcej, światło wydzielać mogą także inne elementy półprzewodnikowe, takie, po których nikt nie będzie się tego spodziewać i co więcej będzie ono należeć do spektrum widzialnego, ale jest to temat na inny artykuł.
