19. Светодиоды

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED — light emitting diode)— полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход.

По сравнению с другими источниками света светодиоды имеют ряд преимуществ : 1) срок службы – около 100 тыс. часов для цветных светодиодов и около 50 тыс. часов для белых; 2) высокая световая отдача; 3) высокая экономичность - не более 10% от потребления электроэнергии лампами накаливания; 4) светодиоды – низковольтные, а значит, электробезопасные источники света; 5) отсутствие ртути делает их экологически безопасными; 6) высокая ударопрочность и вибростойкость; 7) компактные размеры; 8) отсутствие в спектре ультрафиолетового и инфракрасного излучения; 9) возможность работы при низких температурах; 10) устойчивость к частым отключениям и включениям напряжения; 11) чистые цвета и простота управления сделали реальностью микширование цветов без цветных фильтров; 12) смешения цветов с помощью RGB-технологий положило начало созданию в освещении разнообразных динамических эффектов.

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом, а первые работы по электролюминесценции в карбиде кремния выполнил в 1923 году советский физик Олег Лосев. Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал американский ученый Ник Холоньяк в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода».

В светодиоде энергия электрического тока преобразуется в световую энергию. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода, то есть в контакте двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупровод-никового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорными.

П олную информацию об электрических свойствах светодиода дает его ВАХ (рис.1). При прямом подключении к источнику постоянного тока светодиод будет излучать свет в интервале напряжений от U_min до U_max, то есть для светодиода рабочим является участок ab вольтамперной характеристики 1. При обратном включении СД в случае U < U_{max, обр} через него протекает малый ток утечки i_oбр, светодиод при этом не излучает света. Величина тока через p-n переход определяется уравнением

(1)

Не всякий p-n-переход излучает свет. Ключевых причин две. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Цвет излучаемого светодиодом света зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и от легирующих примесей. Чем меньше длина волны света, излучаемого светодиодом, тем выше энергия квантов (ε=hc/λ), а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. Цвет свечения определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход. Основные материалы для производства монохромных светодиодов – Al In Ga P и In Ga N покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности. Интенсивность света очень сильно зависит от процентного содержания в полупроводниковом кристалле дефектов.

Устройство светодиодов

У светодиодов всех типов различают несколько основных параметров: 1) тип корпуса, под которым понимают форму, диаметр и цвет колбы (линзы); 2) электрические - типовые (рабочие) ток и падение напряжения; 3) световые - длина волны излучения, сила света и угол рассеяния, световая отдача.

У мощных светодиодах кристалл устанавли-вается на теплоотводящей подложке Материал подложки (нитрид алюминия и карбид кремния) имеют близкие значения температурных коэффициентов объемного и линейного расширения, что позволяет решить проблему возникновения механических напряжений в кристалле при изменении температуры. Металлический корпус светодиода кроме механических функций выполняет также роль рефлектора.

Подключение светодиодов

Из уравнения (1) следует, что даже незначительное превышение приложенного прямого напряжения к p-n переходу по отношению к U_max, приводит к значительному росту тока через него. Кроме того, при прохождении прямого тока выделяется энергия в виде теплоты, увеличивается концентрация электронов и дырок в полупроводнике, сопротивление p-n перехода уменьшается, а величина прямого тока бесконтрольно растет. Для стабилизации электрических параметров светодиода, его надо подключать к источнику постоянного тока через токоограничивающий резистор R (рис.2).

З ная критические параметры светодиода U_max и i_max можно найти величину токоограничивающего резистора по формуле

где Е – ЭДС источника тока.

Пример. Имеется светодиод с рабочим напряжением 3 В и рабочим током 20 мА. Необходимо подключить его к источнику с Е = 5 В. Сопротивление токоогра-ничивающего резистора, вычисленное по формуле (2), равно R = 100 Ом. Так как резисторы имеют разброс параметров до ±20% от номинальной величины, то для безопасности светодиода разумно взять резистор величиной R ≈ 120 - 150 Ом.