Світлодіод

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Блакитний, зелений та червоний світлодіоди

Світлодіо́д — напівпровідниковий пристрій, випромінюючий некогерентне світло при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежать від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати на довжині хвилі від інфрачервоної до близького ультрафіолету [1], та навіть існують методи поширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру рівномірно на всіх напрямках класичні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіод був розвинений до лазерних діодів, які працюють на тому ж принципі, але дозволяють направлене випромінювання когерентного світла.

[ред.] Історія

Вперше інфрачервона емісія з напівпровоникових елементів була зареєстрована Рубіном Браунштейном, працівником компанії Radio Corporation of America в 1955, якій використовував арсенід галію (GaAs) та інші напівпровідникові сплави [2]. Але перший світлодіод, тобто прилад, що дає випромінювання на напівпровідниковому переході при пропусканні електричного струму, як і патент на нього, був отриманий працівниками компанії Texas Instruments Бобом Б’ярдом і Гарі Пітманом в 1961. Згодом світлодіоди працюючі на GaAs та GaP (фосфід галію) почали вироблятися комерційно для використання як індикатори. Перший світлодіод працюючий у видимому діапазоні був розроблений групою Ніка Холоняка в компанії General Electric в 1962 [3].

Еволюція світлодіодів у 1960-1970-х поступово привела до створення приладів маючих кольор від червоного до зеленого, постійно відштовхуючи кордон у сторону коротких хвиль. Другим напрямком роботи було підвищення ефективності. Найбільш популярними матеріалами були GaP (червоний - зелений) та GaAsP (жовтий – високоефективний червоний). При цьому з’явилися багато нових використань таких як калькулятори, цифрових годинниках і тестових приладах. Хоча надійність свілодіодів завжди перевищувала лампи розжарювання, неонові лампи і т.п., процент вибраковки ранніх пристроїв був набагато вищим. В цьому біла повинна ручна збірка того часу. Індивідуальні оператори виконали уручну такі завдання, як розподіл епоксидної смоли, розміщення крапельки її в потрібну позицію, і змішування епоксидної смоли. Це приводило до дефектів, наприклад "витік епоксидної смоли", яка викликала течу та інколи навіть скорочення PN переходу. Крім того, високі числа дефектів в кристалі, підкладці і епітаксійному шарі приводили до зменшеної ефективності і коротшої тривалості життя пристрою.

На початку 1980-х з появою нового матеріалу, GaAlAs (галій-алюмінієвий арсенід) почалася революція у виробництві світлодіодів. GaAlAs дозволив підвищити ефективність 10 разів, що привело до нових використань у зовнішніх знаках та надписах, зчитуванні штрих-коду, передачі даних через оптичне волокно і медичному обладнанні. Але GaAlAs працював тільки у червоній ділянці спектру (660 нм) та мав короткий час життя (більш 50% падіння ефективності після 100 000 годин роботи). Але частина цих проблем була вирішена за рахунок появи лазерних діодів, які стали комерційно виробляться у 1980-х. Використання технологій, розроблений для лазерних діодів дозволила виробникам світлодіодів зробити наступний стрибок. Однією такою технологією був новий люмінесцентний матеріал InGaAlP, який дозволив плавну настройку кольору за рахунок настройки ширини забороненої зони. Так, всі можливі кольори видимого спектру почали вироблятися за однією технологією та значно зменшилася деградація приладів навідб при умовах високих температур та вологості.

Наступним кроком у розвитку була розробка кампанією Toshiba метода нанесення MOCVD (метал–оксидне хімічне парове нанесення, Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), який дозволив створення більш складний пристроїв з ефективністю до 90% (тобто 90% електроенергії може бути перероблене на світло). У тож же час корпорації Nichia запропонувала перші блакитні світлодіоди, працюючі на GaN (нітриді галію), InGaN (індій-галій-нітриді) та SiC (карбіді кремнію). Згодом з’явилися також як і перші білі світлодіоди, комбінуючи три основних кольори, до яких чутливе око людини, які швидко були замінені широкополосними білими світлодіодами, які мають втиричний флюоресцируючий шар.

Одним з кроків також стало створення Лабораторією фундаментальних досліджень компанії NTT світлодіода, випромінюючого хвилі в ультрафіолетовій частині спектру завдовжки 210 нм. Випромінювання з такою короткою довжиною хвилі знайде широке застосування в медицині і техніці. Відомо, що невидиме для людського ока ультрафіолетове випромінювання має знезаражуючий ефект. Крім того, ці світлодіоди можуть замінити червоні лазерні діоди при читанні даних з оптичних дисків і забезпечити подальше збільшення густини запису.

Сучасні напрямки розвитку включають розробку органічних світлодіодів, які повинні дозволити виробництво дешевих та екологічно безпечних пристроїв, використання квантових точок, які дозволяють отримувати біле світло, та просування далі у короткохвилеву область.

[ред.] Принцип дії

Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є pn-перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямі, носії заряду — електрони і дірки рекомбінують з випромінюванням фотонів.

Не всякі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу A^IIIB^V (наприклад, GaAs або InP) і A^IIB^VI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль від ультрафіолета (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди, зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC) світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи із створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

[ред.] Застосування

Ефективність світлодіодів найдобріше виявляється там де потрібен колір. Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синію, зелену). Усі 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом, лампа ж розжарювання втрачає близько 90% випромінюваного світла при проходженні кольорофільтру. Більш того, від 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання витрачається на нагрів лампи для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна) для якої вони спроектовані.

Світлодіодні лампи споживають приблизно від 3% до 60% потужності необхідної звичайним лампам розжарювання аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів) дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях, частих вмиканнях і вимиканнях (кидках струму) без помітного впливу на термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років).

Використовуючи світлодіоди можна одержати світло високої колірної насиченості. Застосовуються у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла — світлофорів, ліхтариків, гірлянд тощо.