2. Светодиоды

Светодиод (СИД) представляет собой полупроводниковый диод с р-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации: межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона-зона); рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках.

2.1. Параметры светодиодов

Сила света I_v — излучаемый диодом световой поток, приходящий на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделах (кд).

Яркость излучения L — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м²) при заданном значении прямого тока через диод.

Постоянное прямое напряжение U_пр — значение напряжения на светодиоде при протекании постоянного прямого тока.

Максимально допустимый постоянный прямой ток I_{пр max} — максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max} — максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к диоду, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе.

Максимально допустимое обратное импульсное напряжение U_{обр имп} — максимальное пиковое значение обратного напряжения на светодиоде, включая как однократные выбросы, так и периодически повторяющиеся.

Максимальное спектральное распределение λ_max — длина волны излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики излучения СИД.

2.2. Характеристики светодиодов

Цвет свечения характеризуется спектральными характеристиками излучения диодов. Диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества активирующих примесей, внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, соотношение между значениями максимумов изменяется в сторону красного или зеленого цвета. При достижении этого соотношения 10:1 и выше получают красный или зеленый цвет излучения. При соотношениях максимумов 10:4 получают светодиоды желто-оранжевого цвета свечения.

Излучение диода характеризуется диаграммой направленности, которая определяется конструкцией диода (Рисунок 2), наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала. Излучение СИД может быть узконаправленным или рассеянным.

Рисунок 2 – Схема включения светодиода

Эффективность работы СИД характеризуется зависимостями параметров оптического излучения от прямого тока через элемент от длины волны излучения. Зависимость потока излучения Ф, Вт, от прямого тока I_пр называется излучательной (яркостной) характеристикой (Рисунок 3).

В справочной литературе излучательной характеристикой называют также зависимость яркости L, кд/м², от прямого тока, а зависимость силы света от прямого тока — световой характеристикой.

В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через светодиод, а не напряжение на нем. Это связано с тем, что у СИД p-n-переход включают в прямом направлении и его электрическое сопротивление мало. Обычно прямой ток через СИД задается внешней цепью: например, соответствующим выбором ограничивающего сопротивления R_огр (Рисунок 2).

При малых токах I_пр велика доля рекомбинации составляющей тока и коэффициент инжекции мал. С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока. Дальнейшее увеличение приводит к постепенному насыщению центров люминесценции и сопровождается ростом ударной рекомбинации. Поэтому при определенном токе излучательная характеристика имеет максимум. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего p-n-перехода и от размеров электрических контактов.

Рисунок 3 – Излучательная характеристика светодиода