Устройство и принцип работы светодиодов

Принцип действия светодиодов

P-n переход – «составляющая» полупроводниковой техники и представляет собой ни что иное, как соединение двух кусков полупроводника различной проводимости ( один из них имеет избыток электронов n-типов, другой избыток дырок p-типа ).Если к данному переходу подсоединить источник питания, положительным полюсом к p-части, то через него будет проходить ток.

Нас же интересует вопрос, что будет, если через p-n переход идет ток ( момент рекомбинации ). Рекомбинация может быть излучательной. В тот момент, когда происходит столкновение электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона.

Однако, не все p-n переходы выделяют ( излучают ) свет. Отчего это так:

1. Ширина запрещенной зоны в активной области светодиодов должна приближаться к энергии квантов света видимого диапазона.

2. Вероятность излучения во время рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть достаточно высокой.

Для этого кристалл должен содержать наименьшее количество дефектов, в результате чего рекомбинация будет идти без излучения. Так или иначе, данные условия противоречат друг другу.

Чтобы «иметь в своем распоряжении» оба условия, в кристалле одного p-n перехода не хватит. Необходимо изготавливать многослойные полупроводниковые структуры. Другое название этих структур – гетероструктуры. За их изучение Жорес Алферов удостоился золотой медали Американского физического общества еще в 1970 годах.

А уже в 2000 году, когда мир признал всю ценность этих работ, он получил Нобелевскую премию.

Строение светодиода.

Самым распространенным светодиодом принято считать светодиод с корпусом в 5 мм. Но, понятно, что это не единственный корпус, их достаточно большое количество всевозможных типов.

На рисунке мы можем видеть строение 5 мм светодиода.

 

Светодиод представлен двумя выводами – анодом и катодом. Катод крепится к алюминиевому параболическому рефлектору ( отражателю ). Внешне он представляет собой чашеобразное углубление. На дне располагают светоизлучающий кристалл.

Активный элемент представлен полупроводниковым монокристаллом ( в 5 мм светодиодах он выполнен в виде кубика-чипа ) . Размеры последнего небольшие – 0,3*0,3*0,25 мм. Он содержит p-n переход или гетеропереход и омический контакты.

Кристалл соединяется с анодом перемычкой, произведенной из золотой проволоки. Полимерный корпус – фокусирующая линза. Она с рефлектором и определяют угол излучения ( диаграмма направленности ) светодиода.

Основные определения

Характеристика светодиодов определяется следующими терминами и величинами:

- Квантовый выход- число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую элеткронно-дырочную пару.

Есть внутренний и внешний квантовый выходы. Внутренний – в самом p-n переходе. Внешний – для прибора в целом. Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов может достигать 100 процентов. Для красных светодиодов – 55 процентов. Синие светодиоды – 35 процентов.

Внешний квантовый выход –важнейшая характеристика эффективности светодиода в целом.

Светоотдача – количество излучаемых люменов на единицу потребляемой мощности лм\Вт.

Светоотдача показывает какое количество энергии, поступившее на светодиод превращается в свет, а какое количество в тепло. Естественно, чем выше будет данный параметр, тем будет лучше как для производителя, так и для потребителя.

Световой поток – величина, которая характеризует количество излучаемого света.

Световой поток – мощность излучения, которая оценивается с позиции воздействия на глаз человека. Единицей светового потока считается – люмен ( Лм ).

Важным значением параметров светодиодов являются:

- сила света

- угол и диаграмма направленности излучения

Сила света – количество светового потока, излучаемое вдоль выбранного направления в пространстве.

Сила света излучателя имеет прямую зависимость от направления излучения. Единица силы света – кандела ( кд ). Если более популярным языком говорить об этом параметр, то это сила света, показывающая, какая доля светового потока будет отдана источником в рассматриваемом направлении.

Каждый светодиод ( конструкция ) имеет свою определенную диаграмму излучения. Поэтому без этого параметра нецелесообразно говорить о силе света и наоборот.

Помещая любой светодиод в центр окружности, который разбит на 360 секторов, и измеряя в каждом секторе силу света мы получаем график – кривую силу света ( КСС ). Данный график принято составлять в полярной системе координат, а не в обычной прямоугольной.

Еще один важный параметр любого светодиода – яркость. Яркость – сила света, характеризующая количество света, который излучается или отражается в заданном направлении, в отношении к площади излучающей поверхности. Яркость измеряется в кд\м2.