Светодиоды

Определение

Светодиод или светоизлучающий  диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения за счёт рекомбинации электронов и дырок. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра.

История создания

В 1923 году, экспериментируя  с детектирующим контактом на основе пары «карборунд — стальная проволока», Олег Лосев обнаружил  на стыке двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия "полупроводниковый" ещё не существовало). Открытие было задокументировано, но значения ему  не придали и развития оно не получило.

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически  применимый светодиод, работающий в  световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно  дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Принцип работы

В обычных диодах процесс  рекомбинации заканчивается выделением энергии в виде квантов тепловых колебаний решётки (фононов), и называется такая рекомбинация безызлучательной, или фононной. В структурах светодиодов  используется излучательная, или фотонная рекомбинация. Обычно в светодиодах  перед явлением рекомбинации происходит инжекция неосновных носителей заряда. Характер рекомбинации инжектированных носителей заряда зависит от применяемого в СИД полупроводникового материала, наиболее важным свойством которого является структура энергетических зон. Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в светодиодах и полупроводниковых лазерах, поскольку именно она определяет энергию испускаемых фотонов. Для изготовления светодиодов используются прямозонные полупроводники. В прямозонных полупроводниках экстремумы зон находятся при одном и том же значении волнового вектора (вектор, направление которого перпендикулярно геометрическому месту точек, имеющих одну и ту же фазу, абсолютное значение которого равно ), и генерация света происходит с большей вероятностью. В непрямозонных полупроводниках потолок валентной зоны и дно зоны проводимости разнесены в пространстве волновых векторов, для выполнения закона сохранения импульса нужно ещё испустить фонон с большим квазиимпульсом, и поэтому вероятность излучательной рекомбинации существенно ниже. Также все полупроводниковые материалы делятся на 2 класса: материалы с прямыми межзонными переходами электронов (прямопереходные), и с непрямыми межзонными переходами электронов (непрямопереходные). Прямопереходные – это полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса. Непрямопереходные – это полупроводники, переход электрона в которых из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса, которая приводит к испусканию фонона. При этом, в процессе поглощения энергии, кроме электрона и фотона, должна участвовать ещё и третья частица (например, фонон), которая заберёт часть импульса на себя. Но обычно случается так, что фотон даже не испускается, а всю энергию на себя забирает электрон. Интенсивность непрямопереходных полупроводников ниже, чем прямопереходных, так как вероятность встречи электрона и дырки выше, чем встречи электрона, дырки и фонона. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Характеристики  светодиодов

Специфическими параметрами  СИДов являются световые или фотометрические величины, количественно характеризующие степень воздействия на человеческий глаз. За единицу силы света в фотометрии принята кандела. Кандела – это сила света, равная силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² Гц, длиной волны 555 нм (зелёный цвет), энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы радиусом r, вырезающему из сферы поверхность площадью r². Телесный угол — часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность. За единицу измерения светового потока принят люмен. Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан.

Также важной фотометрической  характеристикой является яркость, которая определяется как сила света, отнесённая к видимой площади  излучения.

Энергетическая характеристика СИД характеризуется квантовым  выходом – отношением числа излучённых фотонов к числу электронов, прошедших  через p-n переход. Различают внутренний и внешний квантовые выходы. Внутренний квантовый выход определяет эффективность излучения непосредственно в p-n переходе, а внешний – на поверхности кристалла полупроводника. Высокая квантовая эффективность обеспечивается, если излучательные процессы рекомбинации преобладают над безызлучательными процессами рекомбинации. Вероятность излучательной рекомбинации повышается за счёт увеличения концентрации примеси, что, как следствие, повышает концентрацию основных носителей заряда. Но в то же время чрезмерное повышение концентрации примеси приводит к образованию дефектов, которые являются центрами безызлучательной рекомбинации.

Цвета и материалы  полупроводника

Инфракрасные светодиоды – это светодиоды, которые испускают  свет с длиной волны менее 760 нм. Падение напряжения на диоде менее 1,9 В, а материалы полупроводников – Арсенид галлия (GaAs), Алюминия галлия арсенид (AlGaAs);

Красный светодиод – светодиод, испускающий свет с длиной волны  от 610 до 760 нм. Напряжение на данном светодиоде лежит в промежутке от 1,63 до 2,03 В, материалы полупроводников – Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs), Галлия арсенид-фосфид (GaAsP), Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP), Галлия(III) фосфид (GaP).

Оранжевый – светодиод, испускающий  свет с длиной волны в пределах от 590 до 610 нм и падением напряжения от 2,03 до 2,1 В. Изготавливаются из таких материалов, как Галлия фосфид-арсенид (GaAsP), Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP), Галлия(III) фосфид (GaP).

Жёлтый светодиод –  это светодиод с длиной волны  от 570 до 610 нм и напряжением от 2,1 до 2,18 В. Материалы изготовления: Галлия арсенид-фосфид (GaAsP), Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP), Галлия(III) фосфид (GaP).

Зелёный светодиод – светодиод, испускающий свет с длиной волны  от 500 до 570 нм. Напряжение 1,9 – 4 В, материалы: Индия-галлия нитрид (InGaN), Галлия(III) нитрид (GaN), Галлия(III) фосфид (GaP), Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP), Алюминия-галлия фосфид (AlGaP).

Синий светодиод – светодиод, испускающий свет с длиной волны  от 450 до 500 нм. Напряжение на нём от 2,48 до 3,7 В. Изготавливается из Нитрида галлия (GaN), Нитрида алюминия (AlN), Индия-галлия нитрида (InGaN), Селенида цинка (ZnSe), Карбида кремния (SiC). У светодиодов на основе карбида кремния слишком малый КПД и низкий квантовый выход излучения. У полупроводников на основе селенида цинка слишком большое сопротивление, и из-за этого они перегреваются.

Фиолетовый светодиод  – это светодиод, испускающий  свет с длиной волны от 400 до 450 нм. Диапазон напряжений: от 2,76 до 4 В. Изготавливаются из Индия-галлия нитрида (InGaN).

Пурпурный светодиод –  это светодиод, испускающий свет со смесью нескольких спектров. Напряжение от 3,1 до 4,4 В.

Белый светодиод – это  светодиод, дающий свечение, условно  близкое к белому цвету. Различают  два вида белых светодиодов: псевдобелый, состоящий из 3 светодиодов – красного, зеленого и синего в одном корпусе (ныне не производится), и светоизлучающее устройство на основе синего светодиода, покрытого слоем люминофора жёлтого диапазона свечения (современная наиболее распространенная конструкция). Во втором случае свет приблизительно белого спектра получается путем смешения синего света от самого светодиода и более длинноволнового переизлученного от люминофора. Люминофор – это вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение. Изготавливаются слиянием синего и красного диодов, либо синего СИДа с красным люминофором, либо белого с пурпурным пластиком.

Ультрафиолетовый светодиод  – это светодиод, длина волны  света которого менее 400 нм. Диапазон напряжений от 3,1 до 4,4 В. Изготавливаются из алмазов, Нитрида бора, Нитрида алюминия, Нитрида алюминия-галлия, Нитрида алюминия-галлия-индия.

 

 

 

Преимущества  светодиодов

1) Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт.

2) Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).

3) Длительный срок службы - от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день - 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

4) Спектр современных светодиодов бывает различным - от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.

5) Малая инерционность - включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30% до 100% за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.

6) Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света - ламп накаливания, газоразрядных ламп).

7) Различный угол излучения - от 15 до 180 градусов.

8) Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.

9) Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия.

10) Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

11) Отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.