Светодиоды

Лекция 17. Светодиоды. Фотодиоды. Оптоэлектронные устройства

Светодиодом (LED англ. Light-emitting diode) называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в световое излучение (излучающий некогерентный свет). Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Условное графическое обозначение, структура и внешний вид светодиода представлены на рис. 17.1.

а)	б)	в)

Рис. 17.1. Светодиод:

а - условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид

При прямом включении p-n перехода и пропуске прямого тока в процессе рекомбинации происходит переход электрона с высокого энергетического уровня в зоне проводимости (n) на низкий в валентной зоне (p). Разность энергий выделяется в виде кванта света (фотона). Диаграмма энергетических уровней в полупроводнике представлена на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Диаграмма энергетических уровней в полупроводнике

Длина волны излучения определяется выражением

, (17.1)

где h – постоянная Планка, h = 4,135×10^-15 эВ×с;

с- скорость света;

DW – ширина запрещённой зоны.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Для видимой части светового спектра l » 770…400 нм. Основным цветам соответствуют следующие границы длин волн:

фиолетовый: 390—440 нм; синий: 440—480 нм; голубой: 480—510 нм; зелёный: 510—550 нм;

жёлто-зелёный: 550—575 нм; жёлтый: 575—585 нм; оранжевый: 585—620 нм; красный: 620—770 нм.

Такие длины волн соответствуют разности энергий электрона DW » 1,6…3,1 эВ. Следовательно, для получения видимого излучения ширина запрещённой зоны DW в полупроводнике должна быть более 1,6 эВ. Германий и кремний имеют DW < 1,3 эВ, поэтому светодиоды из таких материалов сделать нельзя.

Для светодиодов применяют другие полупроводниковые материалы, например:

арсенид галлия (GaAs) – инфракрасное излучение;

арсенид галлия, легированный алюминием (AlGaAs) – красное свечение;

арсенид галлия, легированный фосфором (GaAsP) – оранжевое свечение;

фосфид галлия, легированный алюминием и индием (AlGaInP) – жёлтое свечение;

фосфид галлия, легированный N – зелёное свечение;

карбид кремния (SiC), легированный (InGaN) – синее свечение.

При работе на светодиод следует подавать прямое напряжение. Схема включения светодиода в цепь постоянного тока и его вольтамперная характеристика представлены на рис. 17.3.

а)	б)

Рис. 17.3. Схема включения светодиода (а) и его вольтамперная характеристика (б)

В лекции 2 приведена система обозначений полупроводниковых диодов в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 11336.038 – 81 и его последующими редакциями. Стандарт определяет основные параметры светодиодов. Пример величин основных параметров для некоторых типов светодиодов представлен в таблице 17.1.

Таблица 17.1

Основные параметры светодиодов

Тип	Цвет свечения	Сила света, мкд (при токе, мА)	Uпр, В, не более	Iпр.макс, мА	Максимум спектрального распределения, мкм
АЛ307А	красный	0,15 (10)			0,666
АЛ307В	зелёный	0,4 (20)	2,8		0,57
КЛ101Б	жёлтый	0,15 (20)	5,5		0,6
АЛ107А	инфракрасный	Мощность излучения 60 мВт			0,9…1,2

Более подробные сведения о цветных светодиодах приведены в литературе [4, 13].

Существуют также сверх яркие белые светодиоды, применяемые для освещения. Они представляют собой полупроводниковый кристалл, излучающий ультрафиолетовое свечение, на поверхность которого наносится люминофор. Для получения требуемого угла излучения света применяется первичная оптика – линза (рис. 17.4).

а)	б)

Рис. 17.4. Конструкция (а) и внешний вид (б) белого светодиода

Излучение белых светодиодов характеризуются цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Цветовая температура выражается в кельвинах (К). При большем значении световой температуры излучение характеризуется синеватым оттенком, при меньшем - желтоватым и даже красноватым (рис. 17.5).

Рис. 17.5. зависимость оттенка белого света от световой температуры

Ток через белый светодиод составляет от 50 мА до 1 А при прямом напряжении от 3 до 3,6 В. Таким образом, мощность светодиода от 0,15 до 3,6 Вт. 30% этой мощности идёт на световое излучение, 70% выделяется в виде тепла. Для сравнения самая лучшая лампа накаливания выделяет в виде тепла 95% мощности, а люминесцентная лампа 80 - 85%. Для эффективного отвода выделяющегося тепла печатная плата для монтажа белых светодиодов выполняется из алюминия.

К преимуществам белых светодиодов как источников света следует отнести мгновенный (без разогрева) выход на рабочий режим, длительный срок службы, отсутствие пульсаций светового потока (питание светодиодов постоянным током).

Светодиод, как и любой полупроводник, обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то есть с ростом температуры увеличивается прямой ток и снижается прямое напряжение светодиода. Поэтому применять для питания светодиодов стабилизатор напряжения (см. лекцию 5) нежелательно. Чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов в широком диапазоне температур следует стабилизировать ток через них. Для этой цели применяется широтно-импульсный стабилизатор с обратной связью по току нагрузки [1].

Работа светодиода зависит от температуры кристалла. С увеличением температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Также с ростом температуры снижается срок службы. Для сверх ярких светодиодов, номинальный ресурс не бывает выше 50…60 тыс. часов, цифра 100 000 часов может относиться только к индикаторным светодиодам.