Светодиоды и их характеристики

Физические основы работы светодиодов

Светодиод (сокращённо — СД, или LED от англ. Light Emitting Diode) представляет собой полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Это излучение возникает за счёт электролюминесценции — рекомбинации электронов и дырок в p–n-переходе, сопровождающейся испусканием фотонов.

Основу светодиода составляет p–n-переход, выполненный на основе соединений III–V или II–VI групп периодической таблицы, таких как GaAs, GaP, GaN, InGaN, AlGaAs и др. В отличие от классических выпрямительных диодов, в светодиодах особое внимание уделяется подбору ширины запрещённой зоны, поскольку именно она определяет длину волны (цвет) излучаемого света.

При прямом включении диода электроны из зоны проводимости n-области переходят в валентную зону p-области, где рекомбинируют с дырками. Если энергия перехода достаточна, избыток энергии высвобождается в виде фотона. Коэффициент квантовой эффективности и вероятность радиационной рекомбинации зависят от кристаллографической структуры, чистоты материала, наличия дефектов и метода легирования.

Спектральные характеристики

Цвет света, испускаемого светодиодом, определяется шириной запрещённой зоны материала:

• Красные и инфракрасные СД: GaAs (E_g ≈ 1.4 эВ), GaAsP
• Жёлтые и зелёные: GaP (E_g ≈ 2.2 эВ)
• Синие и фиолетовые: GaN, InGaN (E_g ≈ 3.4 эВ)

Спектр излучения светодиода сравнительно узкий (полуширина порядка 20–50 нм), что отличает их от широкополосных источников света. Однако для белых СД используется комбинация с люминофором или смешение излучений нескольких диодов разного цвета.

Квантовая и энергетическая эффективность

Квантовая эффективность светодиода — отношение числа испущенных фотонов к числу инжектированных носителей заряда. Она разделяется на:

• Внутреннюю квантовую эффективность (η_int): характеризует эффективность генерации фотонов в объёме p–n-перехода.
• Внешнюю квантовую эффективность (η_ext): учитывает потери на отражение, поглощение и прочие механизмы, препятствующие выходу фотонов из полупроводника.

Для оптимизации η_ext используются различные методы: текстурирование поверхности, антирефлексные покрытия, фотонные кристаллы и линзовые оболочки. Современные светодиоды могут достигать внешней квантовой эффективности выше 70%.

Энергетическая эффективность выражается в люменах на ватт (lm/W) и зависит от спектральной чувствительности человеческого глаза. Так, жёлтые и зелёные светодиоды наиболее эффективны с точки зрения восприятия, тогда как фиолетовые или инфракрасные — значительно менее эффективны.

Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперная характеристика светодиода схожа с обычным диодом, но с учётом световой эмиссии. Прямое напряжение включения зависит от ширины запрещённой зоны:

• Для красных СД: ~1.6–2.0 В
• Зелёные: ~2.0–2.4 В
• Синие и белые: ~2.8–3.6 В

Световой поток пропорционален току, но при высоких токах возникает насыщение из-за самонагрева и нелинейных эффектов. Поэтому важно выбирать режимы работы, соответствующие максимальной эффективной светоотдаче без перегрева и деградации.

Температурная зависимость

Светодиоды чувствительны к температуре:

• Эффективность излучения снижается с ростом температуры из-за увеличения вероятности нерекомбинационных процессов (например, переходов с участием ловушек).
• Сдвиг длины волны: с повышением температуры наблюдается красное смещение спектра (λ увеличивается).
• Вольт-амперная характеристика изменяется: прямое напряжение снижается на ~2 мВ/°С.

Для обеспечения стабильной работы применяются системы теплоотвода, термостабилизации и ограничения тока.

Срок службы и деградация

Светодиоды обладают значительным сроком службы — до 50 000–100 000 часов. Однако длительное использование при повышенной температуре и чрезмерных токах приводит к деградации:

• Уменьшение светового потока (люминесцентная деградация)
• Повреждение люминофора (в белых СД)
• Рост сопротивления перехода
• Увеличение вероятности нерекомбинационных переходов

Для оценки ресурса применяют кривые L₇₀ и L₅₀, отражающие время снижения светового потока до 70% и 50% от начального уровня соответственно.

Типы светодиодов по конструкции

1. Традиционные дискретные светодиоды Используются в индикаторах, приборах, панели. Ограниченная мощность и световой поток.

2. Мощные светодиоды (High Power LED) Имеют тепловой отвод, токи до 1–3 А, светоотдача 100–200 lm/W. Применяются в освещении.

3. Светодиодные сборки и матрицы Объединение множества чипов в один корпус. Возможность управления цветом и мощностью.

4. SMD и COB светодиоды Surface Mount Device — компактные элементы для монтажа на печатные платы. Chip-On-Board — множество кристаллов на общем подложечном основании, высокая плотность света.

5. RGB-светодиоды Содержат три кристалла (красный, зелёный, синий), позволяют управлять цветом излучения.

6. Органические светодиоды (OLED) Излучают свет за счёт органических молекул. Используются в дисплеях, панелях, гибких устройствах.

Белые светодиоды и люминофоры

Белое свечение невозможно получить непосредственно от одного полупроводникового перехода. Используются два основных метода:

• Синий СД + люминофор (обычно YAG:Ce³⁺) Синий свет возбуждает люминофор, который излучает в жёлтом диапазоне; сумма даёт белый свет.

• Многокомпонентные RGB-светодиоды Смешение света от трёх диодов — красного, зелёного и синего — обеспечивает полноспектральное белое излучение.

Выбор метода зависит от требований к цветопередаче, стабильности, стоимости и спектральному охвату.

Параметры светодиодов

• Световой поток (Ф, лм): общее количество света, испускаемого в единицу времени.
• Сила света (I, кд): световой поток на единицу телесного угла.
• Световая эффективность (η, лм/Вт): отношение светового потока к потребляемой мощности.
• Цветовая температура (T_c, K): воспринимаемый оттенок белого света, от тёплого (~2700 K) до холодного (~6500 K).
• Индекс цветопередачи (CRI или Ra): показатель, насколько естественно передаются цвета при данном источнике света (макс. 100).
• Угловая диаграмма излучения: определяет распределение света в пространстве. Светодиоды могут быть как направленными (узкий пучок), так и широкоугольными.

Преимущества и ограничения светодиодов

Преимущества:

• Высокая энергетическая эффективность
• Долговечность и высокая надёжность
• Отсутствие ртути и других токсичных веществ
• Механическая прочность
• Компактность и простота интеграции

Ограничения:

• Температурозависимость параметров
• Сложность отвода тепла при высокой мощности
• Стоимость высококачественных компонентов
• Ограничения в спектре излучения (особенно в ИК и УФ областях)

Применение в оптике и фотонике

Светодиоды находят широкое применение в системах освещения, оптических сенсорах, визуализации, телекоммуникациях и биомедицинской диагностике. Благодаря узкому спектру, малым размерам и высокой стабильности они стали незаменимыми источниками в оптических приборах, включая спектроскопические устройства, интерферометры, флуоресцентные системы и волоконно-оптические линии передачи данных.