Принцип роботи світлодіодів

Відома велика кількість хімічних елементів і їх з’єднань, що мають напівпровідникові властивості. Однак, не всі вони здатні ефективно випромінювати світло при звичайних температурах.

Найчастіше для світлодіодів використовуються напівпровідникові сполуки металів галію Ga і індію In (наприклад, арсенід галію GaAs, арсенід-фосфід галію GaAsP, алюмінію галію арсенід AlGaAs, нітрид галію GaN, фосфід індію InP).

Однак чисті напівпровідники не випромінюють світло при проходженні через них електричного струму. Для випромінювання світла необхідно, щоб енергія зовнішнього джерела (електричного джерела живлення) перетворилася не в форму тепла, а в форму випромінювання. Таке випромінювання в світлодіоді виникає в результаті взаємодії носіїв електричних зарядів за допомогою енергії зовнішнього джерела. Щоб створити умови для такої взаємодії, в напівпровіднику формують дві області з носіями електричних зарядів різних знаків.

Для формування таких областей чистий напівпровідник дозовано збагачується (легується) домішками інших (по відношенню до напівпровідника) хімічних елементів. Це формує в єдиному напівпровідниковому кристалі дві ділянки з різним типом провідності – з недоліком або надлишком носіїв негативного електричного заряду (електронів), відповідно, це області з провідністю p- і n-типів.

(р – positive, позитивний, тобто з нестачею носіїв негативних зарядів, n – negative, негативний, тобто з надлишком носіїв негативних зарядів). Між областями виникає тонка межа, яка називається p-n переходом.

При проходженні електричного струму в p-n переході відбувається взаємодія різнойменних носіїв зарядів з вивільненням енергії у вигляді випромінювання. Якщо говорити точніше – відбувається випромінювальна рекомбінація носіїв зарядів за рахунок їх інжекції (збільшення концентрації) в область p-n переходу з допомогою енергії зовнішнього джерела. Говорячи спрощено – відбувається пряме перетворення енергії електричного струму в світло.

Світіння виникає не в повному обсязі напівпровідника, а тільки в тонкій граничної області – p-n переході. Випромінюється в p-n переході світло поширюється в кристалі напівпровідника однаково в усіх напрямках, тому перехід сформований так, щоб вивести з нього світло з найменшими втратами (зазвичай поблизу поверхні грані кристала).

Змінюючи хімічний склад напівпровідника і легуючі домішки, можна створити світлодіоди, що випромінюють світло від ультрафіолетової (UV, або УФ) до інфрачервоної (IR, або ІК) області спектра.

Випромінювання в світлодіоді виникає при переході між певними рівнями енергії в досить вузькому діапазоні. Ці рівні енергії визначаються хімічним складом і властивостями самого напівпровідника. Тому світло, що випромінюється світлодіодом, займає такий же вузький діапазон в спектрі. Іншими словами, світлодіод випромінює саме певний колір, на відміну від лампи розжарювання, що випромінює всі кольори спектра одночасно. Наприклад «червоний» світлодіод випромінює у вузькій частині спектру, відповідної червоному кольору.

 

Колір випромінювання світлодіода залежить від напівпровідникового матеріалу, з якого виготовлений його кристал, і в деякій мірі – від температури його p-n переходу.

Випромінювання лампи розжарювання має широкий спектр випромінювання (зі зміщенням максимуму в червону і ІК-область), і потрібний колір можна виділити («вирізати») тільки за допомогою світлофільтра (пропускає світло певного кольору і поглинає або відображає решту світла).