Светодиоды

Светодиоды (LED, Light Emitting Diodes) представляют собой полупроводниковые приборы, способные излучать свет при протекании через них электрического тока. Основной физический процесс, лежащий в основе их работы, — это электролюминесценция, возникающая в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковом материале.

Полупроводниковая структура светодиода обычно состоит из p–n перехода, созданного в материале с прямой зоной проводимости (например, GaAs, GaP, GaN). При прямом смещении на границе p–n перехода электроны из зоны проводимости n-области рекомбинируют с дырками p-области, высвобождая энергию в виде фотонов.

Энергия излучаемого фотона определяется шириной запрещенной зоны материала:

Eфотона ≈ Eg

где Eg — ширина запрещенной зоны. Это позволяет создавать светодиоды разных цветов, выбирая полупроводниковый материал с соответствующим Eg.

Материалы для светодиодов и спектральные характеристики

  • Красные светодиоды: GaAsP, AlGaInP; Eg ∼ 1.7 − 2.0 эВ
  • Зеленые: GaP, InGaN; Eg ∼ 2.2 − 2.5 эВ
  • Синие и ультрафиолетовые: GaN, InGaN; Eg ∼ 2.8 − 3.6 эВ

Выбор материала влияет не только на цвет излучения, но и на эффективность преобразования электрической энергии в световую, а также на долговечность светодиода.

Конструктивные особенности

Светодиоды имеют микроскопический размер p–n перехода, что позволяет уменьшить внутренние потери и повысить яркость. Основные элементы конструкции:

  1. Кристалл полупроводника — активная область, где происходит рекомбинация.
  2. Контакты — металлические выводы для подключения к источнику тока.
  3. Оптический корпус — линза или прозрачная оболочка для фокусировки и защиты.
  4. Теплоотвод — радиатор или металлическая подложка для отвода тепла, так как эффективность светодиодов снижается при перегреве.

Особое внимание уделяется геометрии кристалла и качеству поверхности, поскольку светодиоды излучают преимущественно в направлении нормали к поверхности p–n перехода.

Электрические характеристики

Прямое включение: при приложении напряжения U выше порогового Uпорог через светодиод начинает протекать ток I, сопровождающийся свечением. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет экспоненциальный вид:

$$ I = I_s \left( e^{\frac{qU}{kT}} - 1 \right) $$

где Is — ток насыщения, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, T — температура.

Обратное смещение приводит к практически нулевому току, что позволяет светодиоду работать в качестве диода с высокой обратной сопротивляемостью. Однако при превышении обратного напряжения возникает пробой, способный разрушить прибор.

Эффективность и потери

Световая эффективность светодиода определяется отношением излучаемой световой мощности Pсв к потребляемой электрической Pэл:

$$ \eta = \frac{P_\text{св}}{P_\text{эл}} \cdot 100\% $$

Факторы, влияющие на эффективность:

  • Квантовая эффективность рекомбинации: доля электронов, рекомбинирующих с излучением фотонов.
  • Оптические потери: отражения на границе полупроводник–воздух, поглощение в корпусе.
  • Термические потери: повышение температуры снижает эффективность и смещает спектр.

Для современных GaN-светодиодов эффективность достигает 70–80%, что значительно выше ламп накаливания и сравнимо с люминесцентными источниками света.

Цвет и спектральная селекция

Цвет излучения определяется не только материалом, но и легированием и конструкцией кристалла. Применение квантовых точек и многослойных структур позволяет достигать более чистого и насыщенного спектра.

Белый свет формируется тремя основными методами:

  1. Смешение RGB — комбинация красного, зеленого и синего LED.
  2. Фосфорное покрытие — синий или ультрафиолетовый LED возбуждает люминофор, излучающий желто-красный свет.
  3. Сочетание фосфора и многослойной структуры для улучшения цветопередачи.

Тепловые и надежностные аспекты

Тепловое сопротивление светодиода напрямую влияет на долговечность. Повышение температуры на 10–20 °C может снижать светоотдачу на 10–15 %.

Основные причины деградации:

  • Диффузия легирующих атомов.
  • Тепловое старение корпуса и контактов.
  • Механические напряжения в кристалле при многослойных структурах.

Для увеличения срока службы применяются эффективные теплоотводы, специальные композитные подложки и управление током с ограничением перегрева.

Применение светодиодов

Светодиоды используются в широком спектре технологий:

  • Освещение: домашнее, уличное, автомобильное.
  • Индикация: панели приборов, дисплеи, сигнальные лампы.
  • Связь: оптические линии передачи, инфракрасная передача данных.
  • Медицина и биотехнологии: фототерапия, биолюминесцентные датчики.
  • Научные приборы: спектроскопия, лазеры на основе LED.

Высокая энергоэффективность, долговечность и малые габариты делают светодиоды ключевым элементом современной оптоэлектроники.

Оглавление