Устройство светодиодов

Светодиодом называется излучающий полупроводниковый прибор с р-n-переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптического излучения. Коэффициент преобразования электрической энергии в световую у современных светодиодов очень большой, вследствие этого они получили широкое распространение.

Принцип действия светодиода основан на явлении электролюминесценции. При подаче на р-n-переход прямого напряжения возникает инжекция неосновных носителей заряда в р- и –n области и последующая рекомбинация их с основными носителями с выделением энергии в виде оптического излучения. На рисунке 4 приведена схема включения светодиода.

Первые светодиоды были созданы из карбида кремния (SiC). Свойством излучать в оптическом диапазоне спектра обладают некоторые сложные полупроводниковые соединения, основой которых являются галлий, мышьяк, фосфор. В настоящее время наиболее распространенными являются светодиоды из арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и их сплавов. Они перекрывают спектральный диапазон от ближнего ИК излучения до зеленого. Широкие возможности для создания светодиодов открываются при использовании нитрида галлия (GaN) – прямозонного полупроводника с Е_g=3,44 эВ. На его основе могут быть созданы светодиоды от ИК до УФ областей спектра.

Рисунок 4 – Схема включения светодиода

Рекомбинационное излучение в светодиоде генерируется в слое, прилегающем к границе раздела р-n-полупроводников, и выводится наружу обычно через n-область. Площадь излучающей поверхности не превышает нескольких мм². Схематическое устройство светодиода с плоской и полусферической излучающими поверхностями показано на рисунке 5. Полупроводниковая структура светодиода помещена в пластмассовый или металлический корпус с окном (линзой) для выхода излучения. Габариты светодиода с арматурой для включения составляют несколько мм.

Рисунок 5 – Устройство светодиодов с плоской и полусферической излучающими поверхностями.

Эффективность преобразования электрической энергии в световую, называемая иногда внутренним квантовым выходом представляет собой отношение числа выделившихся в результате рекомбинации фотонов к числу носителей, появившихся в р-n-переходе. Физический смысл внутреннего квантового выхода понятен: он характеризует отношение вероятности излучательной рекомбинации к полной вероятности рекомбинации. Практически он составляет величину 0,7-0,9.

Отношение количества квантов света, вышедших из светодиода, к количеству рекомбинировавших при этом электронов называют внешним квантовым выходом. Внешний квантовый выход, а, следовательно, и мощность излучения светодиода в значительной степени определяется его геометрической формой. Полусферическая форма в отличие от плоской практически исключает полное внутреннее отражение. Увеличению выходной мощности способствует нанесение просветляющего покрытия на выводящую поверхность [2].