14.2 Випромінюючі діоди

 

Напівпровідниковий випромінюючий діод (світлодіод) – це напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.

Відповідно до ГОСТ 10862-72 першим елементом позначення світлодіодів є буква або цифра, що вказує на матеріал виготовлення /Ф/1/ - арсенід галію/, другим елементом є буква “Л”. Значення третього елемента позначення світлодіодів такі: 1 – діод інфрачервоного діапазону; 2 – оптичного діапазону; 3 – діод з яскравістю свічення менше 500 Кд/м; 4 – з яскравістю,       більшою за 500 Кд/м. 4-й, 5-й і

 6-й елемент позначення – такі самі, як у звичайних діодів.

Основний фізичний процес світлодіодів – це випромінювальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкненні p-nпереходу. Ця рекомбінація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготовлення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад, сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі , де  (порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів. Будова світлодіода показана на рисунку 14.1.

Рисунок 14.1 – Будова світлодіода

 

З метою підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінююча поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2Яскравісна характеристика світлодіода

 

Колір свічення залежить від матеріалу виготовлення (ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання. Так, суміш GaAs і GaP дає червоне свічення, карбід кремнію SiC – червоно-оранжеве або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення.

                Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рисунок 14.3), які мають два p-nпереходи, утворені різними домішками. Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а другим – червоного.

 

Рисунок 14.3Структура світлодіода з перестроюваним кольором свічення

 

             Регулюванням струмів через переходи можна змінювати колір свічення. Світлодіоди широко використовуються для світлової інжекції в різноманітних електронних пристроях. Переваги інжекції на світлодіодах – яскраве й чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.

                Крім окремих світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висвічуваних елементів:

семисегментна  та матрична (рисунок 14.4).

а)                                          б)

Рисунок 14.4Варіанти висвічуваних за допомогою світлодіодів елементів: а – семисегментна конфігурація: б – матрична конфігурація

 

Сегментна конфігурація складається з 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати всі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (7х5 1) точок і дозволяє відтворювати всі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.