Характеристики и параметры светодиодов

В справочной литературе для светоизлучающих диодов приводятся электрические и световые параметры и характеристики. Электрические параметры отражают работу светодиода как элемента электрической схемы: постоянное прямое напряжение U_пр, максимально допустимый прямой ток I_прmax, максимально допустимое обратное напряжение U_обрmax, и физический смысл их тот же, что и для обычных выпрямительных диодов.

Различия прямых ветвей вольт-амперных характеристик светодиодов из разных полупроводниковых материалов связаны с различной шириной запрещённой зоны полупроводника, и все они располагаются правее вольт-амперных характеристик обычных , например, германиевых или кремниевых диодов (рис. 7.5).

пересечения с соответствующими базовыми характеристиками транзистора.

Рис. 7.5. Вольт-амперные характеристики светодиодов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов.

Рассмотрим физический смысл световых параметров и характеристик светодиодов, которые характеризуют их излучательные свойства.

Сила света I_v – излучаемый диодом световой поток, приходящий на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделлах.

Яркость излучения L – величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделлах на квадратный метр при заданном значении прямого тока через диод.

Поскольку светоизлучающие диоды предназначены в основном для визуального восприятия отображаемой информации человеком, необходимо учитывать, что эффективность воздействия излучения на зрение зависит от длины волны излучения и определяется значением относительной функции видимости. График этой функции показан на рис. 7.6. Функция видимости – это зависимость монохроматической чувствительности глаза человека, отнесённой к значению максимальной чувствительности, от длины волны воспринимаемого излучения. Максимальная чувствительность глаза соответствует зеленой части спектра (рис. 7.1), то есть длине волны  = 0,55мкм. Таким образом, излучающий прибор, который всю свою энергию отдаёт только в виде излучения с длиной волны 0,55мкм, обладает наибольшей яркостью и экономичностью с точки зрения глаза человека при использовании приборов для визуального отображения информации.

Однако, часто светодиоды используются для передачи информации в виде светового сигнала к какому-нибудь приёмнику излучения и для друг целей. В этих случая яркость излучения не является основным параметром светодиода, потому что приёмник излучения может иметь свои спектральные характеристики чувствительности, существенно отличающиеся от спектральной характеристики видимости глаза человека (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Относительная функция видности спектральной чувствительности глаза, определенная Международным комитетом по освещению, для дневного зрения.

Характеристикой диода как источника света является зависимость яркости от прямого тока L=f(I_пр) – яркостная характеристика (рис. 7.7) или зависимость силы света от прямого тока I_v=f(I_пр) – световая характеристика. При малых токах и соответственно при малых напряжениях на светодиоде излучения принципиально быть не должно. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. При больших токах яркостная характеристика почти линейна. Эта часть характеристики является важнейшей – её вид определяет оптимальный режим работы светоизлучающего диода.

Рис. 7.7. Яркостная хаактеристика светодиода.

Рис. 7.8. Зависимость силы света (в относительных единицах) от прямого тока.

Для серийных типов светодиодов часто приводится зависимость силы света от прямого тока в относительных единицах, которая показывает, насколько снижается или увеличивается сила света от значения, указанного в параметрах для данного прибора, при изменении тока через диод (рис. 7.8).

Спектральная характеристика светодиода – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов. В первом приближении спектральный состав излучения можно характеризовать цветом свечения (рис. 7.1). Но более подробные сведения даёт спектральная характеристика светодиода.

Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе рекомбинации. В связи с разной шириной запрещённой зоны и различных полупроводниковых материалов и разной глубиной залегания в запрещённой зоне энергетических уровней различных примесей, обеспечивающих излучательную рекомбинацию носителей заряда, длина волны излучаемого света различна в различных светодиодах. Примеры спектральных характеристик светодиодов на основе различных материалов приведены на рис. 7.2.

Длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики светодиода, является световым параметром и указывается как максимум спектрального разделения _max.

Излучение диода также характеризуется диаграммой направленности, которая определяется конструкцией диода, наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала. Диаграммы, приводимые для прибоа в справочных данных, показываю снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведётся наблюдение излучения.

Светоизлучающие диоды характеризуются высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10^-8с. после подачи импульса прямого тока. Однако, для устройств отображения, в которых используются светодиоды, быстродействие не является критичным, так как инерционность глаза человека достаточно велика (около 50мс). Поэтому временные параметры для серийных светоизлучающих диодов в справочниках не приводятся. А вот для систем записи и считывания информации без визуализации быстродействие может быть одним из самых существенных качеств светодиода.

На рис. 7.9 показаны схемы включения светодиодов для индикации состояний транзисторов и интегральных логических элементов. В схеме а. Когда транзистор находится в насыщенном состоянии (U_кэ ≈ 0), светодиод смещён в прямом направлении и излучает. В схеме б диод светится, когда транзистор заперт и на его коллекторе высокий уровень напряжения (U_кэ ≈ U_пит). Когда в схеме в на выходе логического элемента присутствует уровень логического нуля, светодиод излучает, так как на его катоде при этом напряжение меньше, чем на аноде. В схеме г диод будет светиться, если на выходе логического элемента появится уровень логической единицы.

а) б) г) в)

Рис. 7.9. Схемы включения светоизлучающих диодов для индикации состояний электронных приборов.

Высокое быстродействие светодиодов, их миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокая надёжность, большой срок службы, а также технологичность изготовления предопределили использование этих приборов в качестве источников излучения в оптоэлектронных интегральных микросхемах – оптронах.