Светодиод представляет собой полупроводниковый оптоизлучающий прибор c p–n-переходом, излучающий свет при прохождении через него прямого тока. УГО фотодиода представлено на рисунке.
Светодиоды находят широкое применение в электронной аппаратуре в качестве элементов освещения и различной индикации, а также образцовых источников оптического излучения.
Принцип действия светодиода основан на эффектах и явлениях, возникающих при рекомбинации в полупроводниковых материалах с широкой запрещенной зоной.
При подаче на p–n-переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция основных носителей заряда (электронов n области и дырок p области) внутрь полупроводниковых материалов с противоположным характером электропроводности. Встречаясь с собственными носителями области, инжектированные носители претерпевают рекомбинацию. При рекомбинации выделяется энергия, чаще всего соответствующая квантам теплового излучения. Однако, у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP) или некоторых других материалов, рекомбинация является излучательной, т.е. энергия рекомбинации соответствует энергии квантов оптического излучения – фотонов.
Прохождение тока в прямом направлении сопровождается некогерентным (неорганизованным) излучением. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника и особенностей рекомбинации носителей заряда излучение может лежать в инфракрасной, видимой (красные, желтые, зеленые, голубые светодиоды) или ультрафиолетовой частях спектра. Цвет излучения зависит от длины волны светового потока: λ = h / ∆Wp,
где h=6.626068 · 10-34 м2·кг/с – постоянная Планка, ΔWp – энергия уровней, между которыми осуществляется обмен.
Таким образом, увеличение прямого тока увеличивает интенсивность рекомбинации и, следовательно, мощность излучения. Высокая локализация источника излучения в объеме полупроводникового кристалла предопределяет высокую яркость светодиодов, что делает их незаменимыми элементами индикации в условиях интенсивного внешнего освещения.
Основными параметрами светодиода являются:
- допустимое значение прямого напряжения;
- допустимое значение прямого тока;
- интенсивность светового потока Ф, Лм;
- яркость свечения, нит;
- цвет свечения;
- допустимое обратное напряжение.
Высокая локализация источника светового излучения делает источник света точечным и позволяет эффективно применять оптические линзовые системы для формирования требуемой диаграммы направленности светового потока.
Светодиоды белого света
Принцип устройства белого светодиода не очень сложен, сложна технология реализации. Чтобы светодиод излучал белый свет приходится прибегать к дополнительным техническим элементам и техническим решениям. Основными способами для получения белого свечения в светодиодах являются:
- нанесение слоя люминофора, на синие кристаллы;
- нанесение нескольких слоев люминофора на кристаллы, излучающие свет, близкий по цвету к ультрафиолетовому;
- RGB-системы, в которых за счет смешения света множества монохромных красных, зеленых и синих диодов достигается свечение белого цвета.
В первом случае, чаще всего, используют кристаллы синих светодиодов, которые покрывают люминофором, желтым фосфором. Фосфор поглощает некоторое количество синего света и излучает желтый свет. При смешении оставшегося непоглащенного синего света с желтым получается свет близкий к белому.
Второй метод представляет собой не так давно разработанную технология получения твердотельных источников белого света на основе комбинации диода, излучающего свечение, близкое по цвету к ультрафиолетовому, и нескольких слоев люминофора из фосфора различного состава.
В последнем случае белый свет получают классическим путем, смешивая три базовых цвета (красного, зеленого и синего). Качество белого света улучшают за счет дополнения конфигурации RGB желтыми светодиодами, что позволяет охватывать желтую часть спектра.
У каждого из этих способов есть свои положительные о отрицательные стороны. Так, для белых люминофорных светодиодов, изготавливаемых по принципу комбинации синих кристаллов с фосфорным люминофором характерны достаточно низкий индекс цветопередачи, склонность к генерации белого света холодных тонов, неоднородность оттенка свечения при достаточно высоком световом потоке и относительно небольшой стоимости.
Белые люминофорные светодиоды, полученные на основе комбинации диодов, с близким к ультрафиолетовому цвету свечения и разноцветных фосфоров, обладают отличным индексом цветопередачи, могут генерировать белый свет более теплых оттенков и отличаются большей однородностью оттенков свечения от диода к диоду. Однако при этом они потребляют больше электроэнергии и не столь ярки, как первые.
В свою очередь RGB-светодиоды позволяют создавать светодинамические эффекты в световых установках со сменой цвета свечения и различными тонами белого свечения и потенциально может обеспечивать очень высокий индекс цветопередачи. В то же время светодиоды отдельных цветов по-разному реагируют на величины рабочего тока, окружающую их температуру и регулирование яркости, и потому RGB-светодиоды нуждаются в достаточно сложных и дорогостоящих системах управления для достижения стабильной работы.
Чтобы светильники на основе белых светодиодов давали более качественный свет, т.е. более полный спектр, в конструкции светильников используют удаленный люминофор.