Принцип работы светодиодов

Известно большое число химических элементов и их соединений, имеющих полупроводниковые свойства. Однако, не все они способны эффективно излучать свет при обычных температурах.

Чаще всего для светодиодов используются полупроводниковые соединения металлов галлия Ga и индия In (например, арсенид галлия GaAs, арсенид-фосфид галлия GaAsP, алюминия галлия арсенид AlGaAs, нитрид галлия GaN, фосфид индия InP).

Однако чистые полупроводники не излучают свет при прохождении через них электрического тока. Для излучения света необходимо, чтобы энергия внешнего источника (электрического источника питания) преобразовалась не в форму тепла, а в форму излучения. Такое излучение в светодиоде возникает в результате взаимодействия носителей электрических зарядов с помощью энергии внешнего источника. Чтобы создать условия для такого взаимодействия, в полупроводнике формируют две области с носителями электрических зарядов разных знаков.

Для формирования таких областей чистый полупроводник дозировано обогащается (легируется) примесями других (по отношению к полупроводнику) химических элементов. Это формирует в едином полупроводниковом кристалле две области с разным типом проводимости — с недостатком или избытком носителей отрицательного электрического заряда (электронов), соответственно, это области с проводимостью p— и n-типов.

(ppositive, положительный, т.е. с недостатком носителей отрицательных зарядов, nnegative, отрицательный, то есть с избытком носителей отрицательных зарядов). Между областями возникает тонкая граница, которая называется p-n переходом.

При прохождении электрического тока в p-n переходе происходит взаимодействие разноименных носителей зарядов с высвобождением энергии в виде излучения. Если говорить точнее — происходит излучательная рекомбинация носителей зарядов за счет их инжекции (увеличения концентрации) в область p-n перехода с помощью энергии внешнего источника. Говоря упрощенно — происходит прямое преобразование энергии электрического тока в свет.

Свечение возникает не во всём объеме полупроводника, а только в тонкой граничной области — p-n переходе. Излучаемый в p-n переходе свет распространяется в кристалле полупроводника одинаково по всем направлениям, поэтому переход сформирован так, чтобы вывести из него свет с наименьшими потерями (обычно вблизи поверхности грани кристалла).

Меняя химический состав полупроводника и легирующие примеси, можно создать светодиоды, излучающие свет от ультрафиолетовой (UV, или УФ) до инфракрасной (IR, или ИК) области спектра.

Излучение в светодиоде возникает при переходе между определенными уровнями энергии в весьма узком диапазоне. Эти уровни энергии определяются химическим составом и свойствами самого полупроводника. Поэтому свет, излучаемый светодиодом, занимает такой же узкий диапазон в спектре. Другими словами, светодиод излучает именно определённый цвет, в отличие от лампы накаливания, излучающей все цвета спектра одновременно. Например «красный» светодиод излучает в узкой части спектра, соответствующей красному цвету.

Цвет излучения светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого изготовлен его кристалл, и в некоторой степени — от температуры его p-n перехода.

Излучение лампы накаливания имеет широкий спектр излучения (со смещением максимума в красную и ИК-область), и нужный цвет можно выделить («вырезать») только при помощи светофильтра (пропускающего свет определенного цвета и поглощающего или отражающего остальной свет).

Оберіть мову сайту