Что такое светодиод и как он работает
Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковое устройство, которое напрямую преобразует электрическую энергию в свет. Этот процесс, известный как инжекционная электролюминесценция, происходит в специальной области полупроводникового кристалла, называемой p-n-переходом (или гетеропереходом). Когда через диод пропускают ток, в активную зону инжектируются носители заряда — электроны и дырки. Их последующая рекомбинация высвобождает энергию в виде фотонов, то есть света.
Особенности излучения и используемые материалы
В отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет не за счет нагрева, а благодаря электронным процессам, что делает их более эффективными. Их излучение является некогерентным (в отличие от лазерного) и имеет относительно узкий спектр. Это означает, что в видимом диапазоне свет воспринимается как практически одноцветный (монохроматический). Конкретный цвет свечения — красный, зеленый, синий, инфракрасный — определяется химическим составом полупроводникового материала и добавленными примесями (легированием).
Для создания светодиодов используются такие соединения, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), а также их сложные твердые растворы, например, AlGaAs или InGaN. Добавление разных примесей позволяет тонко настраивать свойства: так, фосфид галлия, легированный цинком и кислородом, дает красное свечение, а с азотом — зеленое. Для инфракрасных диодов часто применяют арсенид галлия с примесью кремния или теллура.
Конструкция и эффективность
Полупроводниковый кристалл в светодиоде обычно имеет форму пластинки или полусферы. Яркость современных светодиодов видимого спектра может достигать очень высоких значений — до 100 000 кандел на квадратный метр. Коэффициент полезного действия (КПД), то есть доля электрической энергии, превращаемая в свет, для видимых светодиодов составляет от долей процента до нескольких процентов. Для инфракрасных диодов, где важно минимизировать внутренние потери света, часто используют полусферическую форму кристалла и дополнительные отражатели, что позволяет достигать впечатляющего КПД до 40%.
Типы и сферы применения
Промышленность производит светодиоды как в виде отдельных дискретных элементов, так и в составе интегральных сборок.
- Дискретные светодиоды широко применяются в качестве индикаторов состояния в самой разной электронике — от бытовых приборов до промышленного оборудования.
- Интегральные (многоэлементные) приборы формируют основу для многоцветных панелей, плоских экранов, цифровых и символьных индикаторов. Их можно встретить в системах отображения информации, электронных часах, калькуляторах и информационных табло.
- Инфракрасные светодиоды незаменимы в областях, где не требуется видимый свет: в пультах дистанционного управления, системах оптической связи и локации, дальномерах. Матрицы из таких диодов используются для ввода и вывода данных в компьютерных системах.
В некоторых приложениях, особенно в оптоволоконной связи, светодиоды конкурируют со своими «родственниками» — инжекционными лазерами. Ключевое различие между ними заключается в том, что лазер генерирует когерентное (согласованное) излучение, что требует иной конструкции кристалла и режима работы.