Устройство и принцип действия светодиодов

Светоизлучающие диоды представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые источники света, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и дырок.

Генерация света в СД происходит за счет энергии, выделяемой при ре­комбинации носителей тока - электронов и дырок - на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. Характер проводимости определяется не только самим материалом, но и при­месями (легирующими веществами), вводимыми в основной материал в строго дозированных количест­вах. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется «полупроводником типа n». Материал с недостатком электронов, т.е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных поглотить электрон и стать ней­тральным атомом, называется «полупроводником типа р». На границе таких материалов образуется р-п- переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус — к материалу с электронной проводимостью n, плюс — с дырочной проводимостью р) через переход пойдет ток, а при рекомбинации электронов и дырок будет выделяться энергия. Величина энергии квантов, выделяемых при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов в возбужденном и нейтральном атомах, т.е. от ширины запретной зоны. При ширине запретной зоны от 1,7 до 3.4 эВ энергия излучаемых квантов соответствует видимому диапазону спектра с длинами воли от 700 до 400 нм.

Полупроводниковые материалы с различными ти­пами проводимости и разной шириной запретной зоны делают на специальных установках методом эпитаксиального выращивания МДГС (многопроходные двойные гетероструктуры) в жидкой или газообразной среде. Наибольшее распространение получил ме­тол выращивания МДГС путем металлоорганического вакуумного нанесения материалов на подложку из сап­фира (Аl₂О₃), карбида кремния (SiС), арсенида галлия (GаАs) или фосфида галлия (GаР). На рис. 3.119 пока­зана структура кристалла СД с указанием реальной тол­щины слоев. Выращенные па подложках структуры диаметром 6-12 см разрезаются на кристаллы разме­ром от 0,1x0,1 до 0,5x0,5 мм, являющиеся основой собственно СД.

Для СД с излучением в красной и желтой областях спектра используются полупроводниковые МДГС на основе GaAlAs и AlGaInP, в зеленой и синей облас­тях — на основе нитридов индия и галлия и их твердых растворов (InN, GаN, InGаN, АlInGаN).

Типовая конструкция наиболее массовых СД пока­зана на рис. 3.120.

Излучение генерируется в кристалле 1 и и р-п- переходе между кристаллом 1 и кристаллодержателем 2, к которым через электроды 3 и 4 подводится напряжение соответствующей полярности. С помощью отражателя 5 с высотой стенок около 0,5 мм боковое излучение на­правляется в нужную сторону — вдоль оптической оси СД. Кристалл, кристаллодержатель и внутренние элек­троды залиты прозрачным полимером с максимально высоким коэффициентом преломления — эпоксидной смолой или поликарбонатом, образующим корпус СД 6. Купол корпуса выполняет функцию линзы, фокусирующей излучаемый поток в определенном телес­ном угле. При углах больше 15° форма купола близка к сферической, при меньших углах — к эллиптической. Иногда вместо купольной формы делают выходное окно в виде линзы Френеля, также формирующей из­лучаемый поток в заданном угле. Внешние выводы электродов 3 и 4 служат не только для подвода напря­жения, но и для фиксации СД па печатных платах. При очень больших механических нагрузках, кроме крепле­ния выводами, применяют дополнительные меры, например, приклеивание корпуса и т.п.

Кроме торцевой конструкции, показанной на рис. 3.120, часто встречаются СД плоскостного монта­жа, у которых внешние выводы расположены в плоско­сти основания (в иностранной литературе такие СД на­зываются SМТ или реже СОВ). Такие СД могут монтироваться непосредственно па печатных платах, образуя конструкции очень малой толщины (1—2,5 мм).

Кроме полупроводниковых СД на основе металлов, разработаны органические СД (в иностранной литерату­ре — OLЕD). Первое сообщение об органических СД поя­вилось в 1987 г. (Чип Тэнг, Стив Ван-Слайк, фирма Еаstman Коdak). Светоизлучающий слой из органических ма­териалов, легированных металлами, располагается между двумя тончайшими слоями других органических материа­лов, которые с помощью добавок превращены в полупро­водниковые материалы п- и р -типов. С полупроводником п типа контактирует катод из прозрачной окиси олова (ин­дия), нанесенной на стекло. В качестве анода, контактиру­ющего с полупроводником р -типа, используется сплав се­ребра и магния. Вся конструкция имеет толщину, соизме­римую с длиной волны видимого излучения. Генерируе­мый при подаче напряжения свет выходит через прозрач­ный катод. Яркость органических СД достигает сотен кд/м², срок службы зависит от цветности излучения и со­измерим со сроком службы обычных СД, световая отдача заметно ниже. Из органических СД могут формироваться гибкие тонкие панели больших размеров, что и определи­ло их основную (пока) область применения для экранов дисплеев ноутбуков.

В последние годы появились достаточно мощные СД с собственными радиаторами в виде фланцев, крепежных винтов и др. Следует сказать, что при уве­личении мощности СД возникает необходимость в от­воде тепла от них, т.к. с ростом температуры световая отдача СД снижается. В каталогах фирм, выпускающих СД повышенной мощности, обычно приводятся реко­мендации по необходимой площади теплоотвода.

Ряд фирм производит светодиодные панели круг­лой, квадратной, прямоугольной и других форм, на ко­торых смонтировано множество отдельных кристаллов, в совокупности образующих равномерно светящуюся поверхность.