Светодиод: принцип работы и характеристики¶

Светодиод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, излучающий некогерентное световое излучение при протекании через него электрического тока. Относится к классу оптоэлектронных полупроводниковых приборов; английское название — light-emitting diode (LED). Работа основана на явлении электролюминесценции в прямозонных полупроводниках.

¶Принцип работы

Основу светодиода составляет p-n-переход, сформированный в кристалле полупроводника. При подаче прямого напряжения через переход протекает ток: электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются в область перехода. Там происходит их рекомбинация — электрон занимает свободное место в валентной зоне (дырку). Разность энергий между зонами выделяется в виде фотона.

Энергия фотона определяется шириной запрещённой зоны материала:

E = hν = hc / λ,

где h — постоянная Планка, ν — частота, λ — длина волны, c — скорость света. Чем шире запрещённая зона, тем короче длина волны излучения. Для эффективного излучения материал должен быть прямозонным — тогда рекомбинация идёт преимущественно с испусканием фотона, а не с выделением тепла.

¶Материалы и цвет излучения

Цвет свечения задаётся составом полупроводника:

Красные и инфракрасные светодиоды на основе арсенида галлия появились первыми (1962, Ник Холоньяк). Синие светодиоды на нитриде галлия создали лишь в 1990-х (Сюдзи Накамура, Исаму Акасаки, Хироси Амано), за что в 2014 году была вручена Нобелевская премия по физике. Синий кристалл в сочетании с люминофором позволил получать белый свет.

¶Характеристики

Ключевые параметры светодиодов:

• Прямое падение напряжения — от 1,8–2,5 В (красные) до 3,0–3,6 В (синие, белые).
• Номинальный ток — обычно 20 мА для индикаторных приборов, от сотен миллиампер до единиц ампер для мощных.
• Световая отдача — у современных серийных образцов 100–200 лм/Вт, у лабораторных рекордов выше.
• Цветовая температура — для белых светодиодов от 2700 К (тёплый) до 6500 К и более (холодный).
• Индекс цветопередачи (CRI) — до 90 и выше у качественных моделей.
• Срок службы — 25 000–100 000 часов, ограничен деградацией люминофора и кристалла.

Вольт-амперная характеристика резко нелинейна: после порогового напряжения ток быстро растёт, поэтому питание обязательно через токоограничивающий резистор или драйвер. Яркость пропорциональна току и не подчиняется закону Ома.

¶Достоинства и ограничения

Преимущества: высокий КПД по сравнению с лампами накаливания, малые размеры, механическая прочность, низкое рабочее напряжение, большой срок службы, мгновенное включение, возможность точной цветовой настройки.

Ограничения: зависимость параметров от температуры, необходимость стабилизации тока, деградация яркости со временем, чувствительность к электростатическому разряду, а также спад эффективности у мощных приборов из-за нагрева кристалла.

¶Применение

Светодиоды применяются в индикаторах и дисплеях, системах подсветки, бытовом и уличном освещении, автомобильных фарах, светофорах, инфракрасных пультах, оптических датчиках и системах передачи данных. Отдельное направление — светодиодные матрицы для экранов и микроразмерные LED для дисплеев.