5. Твердотельные источники света (светодиоды)

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. По-английски светодиод называется Light Emitting Diode, или LED.

Электролюминесценция – результат радиационной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. Возбужденные электроны отдают свою энергию в виде фотонов. До рекомбинации электроны и дырки разделяются либо посредством активации материала для формирования p-n перехода (в полупроводниковых электролюминесцентных осветителях, таких как светодиод), либо путем возбуждения высокоэнергетическими электронами (последние ускоряются сильным электрическим полем) – в кристаллофосфорах электролюминесцентных панелей.

Впервые свечение в твердом теле (карбид кремния) при пропускании тока наблюдал в 1907 г. Генри Джозеф Раунд. Он опубликовал результаты своего наблюдения, но никакого объяснения не дал. Первым физику электролюминесценции при токопрохождении через p-n переход выпрямительного диода разработал Лосев О.В. в 1928 г. Но практическое применение долго не рассматривалось ввиду низкого КПД. В лучшем случае – как индикаторные источники.

Первые достаточно яркие светодиоды были получены на GaAs, AlGaAs, GaN, GaP красного, желтого, зеленого, инфракрасного цветов. В настоящее время освоен весь видимый диапазон и ближний ИК и УФ (табл. 5.1). Созданы светодиоды белого излучения с перспективой высокой светоотдачи, теоретически до 300 лм/Вт.

Таблица 5.1

Материал активной области современных светодиодов

Цвет	Длина волны излучения (нм)	Вольтаж (В)	Материал активной области
Инфракрасный	λ > 760	ΔV < 1.9	Gallium arsenide (GaAs) Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Красный	610 < λ < 760	1.63 < ΔV < 2.03	Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium phosphide (GaP)
Оранжевый	590 < λ < 610	2.03 < ΔV < 2.10	Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium phosphide (GaP)
Желтый	570 < λ < 590	2.10 < ΔV < 2.18	Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium phosphide (GaP)
Зеленый	500 < λ < 570	1.9 < ΔV < 4.0	Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium nitride (GaN) Gallium phosphide (GaP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP)
Синий	450 < λ < 500	2.48 < ΔV < <3.7	Zinc selenide (ZnSe) Indium gallium nitride (InGaN) Silicon carbide (SiC) как подложка Silicon (Si) как подложка – (в разработке)
Фиолетовый	400 < λ < 450	2.76 < ΔV < 4.0	Indium gallium nitride (InGaN)
Пурпурный	разные типы	2.48 < ΔV < <3.7	Двойной синий/красный LED, синий с красным фосфором, белый с пурпурным фильтром
Ультра – фиолетовый	λ < 400	3.1 < ΔV < 4.4	Алмаз (235 нм) Boron nitride (215 nm) Aluminium nitride (AlN) (210 нм) Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) — (ниже 210 нм)
Белый	Широкий спектр	ΔV = 3.5	Синий /УФ диод и желтый фосфор

Достоинства светодиодов:

• малое тепловыделение и низкое питающее напряжение (гарантирует высокий уровень безопасности);

• отсутствие стеклянной колбы (определяет очень высокую механическую прочность и надежность);

• отсутствие разогрева или высоких пусковых напряжений при включении;

• безынерционность включения/выключения (реакция < 100 нс);

• не требуется преобразователь постоянного/переменного тока;

• абсолютный контроль (регулировка яркости и цвета в полном динамическом диапазоне);

• полный спектр излучаемого света (или, если требуется, специализированный спектр – до 210 нм);

• встроенное светораспределение;

• компактность и удобство в установке;

• отсутствие ультрафиолетового и иных вредных для здоровья излучений;

• не применяется никаких опасных веществ, типа ртути.

Недостатки:

• высокая себестоимость. Особенно в области УФ при длине волны 210 нм – десятки тысяч долларов;

• сложность создания больших световых экранов – требуется большое количество диодов, что усложняет схему питания и снижает надежность всего изделия;

• трудность создания компактных и высокоинтенсивных источников. Несмотря на высокую светоотдачу неизбежен нагрев активной среды. При этом резко падают параметры светодиода. Приходится даже на сравнительно маломощных источниках устанавливать громоздкую систему радиаторов;

• мощное монохроматическое излучение может отрицательно сказываться на зрении;

• проблемы при питании светодиодов для освещения непосредственно от сети 220 В;

• необходимость стабилизации режима из-за малой устойчивости к перенапряжению.