Светоизлучающий диод
Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковое устройство, основанное на p-n переходе. Он состоит из двух слоев полупроводника: области с избытком дырок (p-тип) и области с избытком электронов (n-тип).
Когда к светодиоду прикладывается прямое напряжение (положительный полюс к p-типу, отрицательный к n-типу), электроны из n-области начинают двигаться к p-области, а дырки из p-области — к n-области. Это происходит из-за электрического поля, которое снижает запрещённую зону p-n перехода. Цвет свечения светодиода определяется используемым полупроводниковым материалом и шириной его запрещённой зоны.
Запрещённая зона — это диапазон энергий между валентной зоной (где электроны связаны с атомами) и зоной проводимости (где электроны могут свободно двигаться). Чтобы светодиод излучал свет, электроны должны преодолеть эту зону, переходя из валентной в зону проводимости. При этом выделяется энергия в виде фотонов.
| Цвет излучения | Длина волны (нм) | Ширина запрещённой зоны (Эв) | Типичные материалы |
|---|---|---|---|
| Инфракрасный | >700 | <1,8 | GaAs, AlGaAs |
| Красный | 620-700 | 1,8-2,0 | AlGaInP, GaAsP |
| Оранжевый | 590-620 | 2,0-2,1 | AlGaInP, GaAsP |
| Жёлтый | 570-590 | 2,1-2,2 | AlGaInP, GaAsP |
| Зелёный | 495-570 | 2,2-2,5 | GaP, InGaN |
| Голубой | 450-495 | 2,5-3,0 | InGaN, GaN |
| Синий | 430-450 | 2,7-3,0 | InGaN, GaN |
| Фиолетовый | 380-430 | 3,0-3,3 | GaN, AlGaN |
Выделенный фотон покидает кристалл светодиода, если его энергия не поглощается материалом. Для повышения эффективности светодиоды часто имеют отражающие слои и прозрачные оболочки.
Обобщая, весь процесс происходит в 4 этапа:
1. В n-типе электроны находятся в зоне проводимости, в p-типе дырки — в валентной зоне;
2. Подаётся прямое напряжение;
3. Происходит рекомбинация с выделением фотонов;
4. Выход фотона наружу.
Конструктив СИДа
1. Полупроводниковый кристалл (чип)
Это сердце светодиода — небольшой кристалл полупроводника с p-n переходом. Он состоит из двух слоев:
- n-слой: Область с избытком электронов.
- p-слой: Область с избытком дырок.
Кристалл изготавливают из материалов, таких как GaN (синий), GaP (зеленый) или AlGaAs (красный). Размер кристалла обычно составляет доли миллиметра.
Функция: Здесь происходит рекомбинация электронов и дырок с выделением света.
2. Подложка
Кристалл крепится на подложку — обычно это проводящий материал (например, медь или сапфир). Подложка служит основанием и иногда выполняет роль теплоотвода.
Функция: Механическая поддержка и отвод тепла, выделяемого при работе.
3. Контакты (анод и катод)
К p- и n-слоям подключаются электрические контакты:
- Анод: Положительный контакт, соединен с p-слоем.
- Катод: Отрицательный контакт, соединен с n-слоем.
Контакты обычно представляют собой тонкие металлические слои (золото, алюминий) или провода.
Функция: Подача напряжения для создания тока через p-n переход.
4. Отражатель (рефлектор)
Многие светодиоды имеют металлический отражатель в форме чаши вокруг кристалла. Он направляет свет вверх, увеличивая эффективность.
Функция: Фокусировка и направление света в нужную сторону.
5. Линза или корпус
Сверху кристалл заливается прозрачной эпоксидной смолой или силиконом, который формирует линзу. Линза защищает кристалл и фокусирует свет.
Функция: Защита от внешних воздействий и формирование светового пучка.
6. Теплоотвод (в мощных светодиодах)
В современных мощных светодиодах добавляют радиатор или металлическую основу для отвода тепла, так как значительная часть энергии теряется в виде тепла.
Функция: Предотвращение перегрева и продление срока службы.