Светодио́д или светоизлуча́ющий дио́д (СД, СИД; ) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, то есть светодиод изначально излучает практически монохроматический свет (если речь идёт о СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, от которой определённый цвет свечения можно получить лишь применением светофильтра. Спектральный диапазон излучения светодиода в основном зависит от типа и химического состава использованных полупроводников и ширины запрещённой зоны.
История Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором из . Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, химическая формула SiC), и отметил возникновение жёлтого, зелёного и оранжевого свечения на катоде прибора.
Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с кристаллическими детекторами радиоволн, видел свечение в точке контакта двух разнородных материалов, наиболее сильное — в паре карборунд — стальная игла, таким образом, он обнаружил электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало).
Наблюдение эффекта электролюминесценции в месте контакта карборунд—сталь было опубликовано им в советском журнале «Телеграфия и телефония без проводов», а в 1927 году он получил патент (в патенте устройство названо «световое реле»). Лосев умер в блокадном Ленинграде в 1942 году, и его работы были забыты, публикация не была замечена научным сообществом и много лет спустя светодиод был изобретён за рубежом.
Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов. Хотя теоретического объяснения наблюдаемому явлению ещё не было, Лосев оценил практическую значимость своего открытия. Благодаря эффекту электролюминесценции появилась возможность создать малогабаритный источник света с очень низким для того времени напряжением питания (менее 10 В) и высоким быстродействием. Он назвал будущее устройство «Световое реле» и получил два авторских свидетельства, заявку на первое из них подал в феврале 1927 года.
В 1939 году венгры Золтан Бей и Дьёрдь Сигети запатентовали устройство из карбида кремния, способное излучать белый свет или белый с желтоватым или зеленым оттенком, в зависимости от присутствующей примеси.
В 1961 году работавшие в компании Texas Instruments и Гари Питтман обнаружили инфракрасное излучение из туннельного диода, который был сконструирован ими на подложке из арсенида галлия (GaAs). В августе 1962 года изобретатели подали заявку на патент под названием «Полупроводниковый излучающий диод». Сразу после подачи заявки компания Texas Instruments запустила проект по производству инфракрасных излучающих диодов. В октябре 1962 года компания анонсировала первый коммерческий светодиод (SNX-100), в котором использовался чистый кристалл GaAs для излучения света с длиной волны 890 нм.
Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, , изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.
Светодиоды оставались очень дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), поэтому их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов, в 1971 году он с коллегами получил синее свечение на нитриде галлия и создал первый синий светодиод. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компания «Хьюлетт-Паккард» применила светодиодные индикаторы в своих ранних массовых карманных калькуляторах.
В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алфёрова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных светодиодов. После этого началось серийное промышленное производство светодиодов на гетероструктурах. Открытие было удостоено Нобелевской премии в 2000 году. В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED.
В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода. За открытие технологии изготовления дешёвого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике. В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск.
Позже на основе синих светодиодов были изготовлены белые, состоящие из синего излучающего кристалла, покрытого люминофором на основе иттрий-алюминиевого граната, легированный трёхвалентным церием (YAG). Люминофор поглощает часть синего излучения и переизлучает в жёлто-зелёной области, позволяя создать белый свет. Компания Nichia начала промышленный выпуск белых светодиодов в 1996 году. Вскоре белые светодиоды начали широко применяться в освещении. На основе белых светодиодов были разработаны светодиодные фонарики, лампы, светильники различного назначения (в том числе уличные светильники), софиты, светодиодные ленты и прочие источники света. В 2003 году компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии, непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board. Белые светодиоды позволили создать эффективную подсветку для цветных жидкокристаллических экранов, что способствовало их широкому распространению в мобильных устройствах, планшетах, смартфонах.
Сочетание света синего, зелёного и красного светодиодов даёт белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные светильники и экраны со светодиодной подсветкой.
Принцип работы
При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — движутся навстречу и рекомбинируют в обеднённом слое диода с излучением фотонов из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой..
Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Эффективные излучатели относятся к прямозонным полупроводникам, то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические межзонные переходы, типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и типа AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, изготовленные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. В связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
Характеристики Цвет свеченияПрямое напряжение, ВИнфракрасный1,3Красный1,8Оранжевый1,9Желтый2,0Зелёный2,0Голубой3,0Синий3,5Ультрафиолетовый4,0—4,5 Вольт-амперная характеристика светодиода в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток при достижении некоторого порогового напряжения, которое называют прямым падением напряжения (или прямым напряжением) светодиода. Величина этого напряжения позволяет достаточно точно определить материал полупроводника. Прямое напряжение зависит от цвета свечения светодиода.
Светодиоды в электрической схеме
Светодиод работает при пропускании через него тока в прямом направлении (то есть анод должен иметь положительный потенциал относительно катода).
Из-за круто возрастающей вольт-амперной характеристики p-n-перехода в прямом направлении светодиод должен подключаться к источнику питания с большим внутренним сопротивлением, в идеале к источнику тока. Подключение к источнику напряжения должно производиться через элемент (или электрическую цепь), ограничивающий ток, например через резистор (для маломощных индикаторных светодиодов). Некоторые типы светодиодов имеют встроенный ограничитель тока, в таком случае в спецификации для них указывается диапазон допустимых напряжений источника питания.
Непосредственное подключение светодиода к источнику питания с низким внутренним сопротивлением может вызвать протекание через него тока, превышающего предельно допустимый, что приведёт к перегреву кристалла и выходу светодиода из строя. Для ограничения тока мощных светодиодов применяются схемы с ШИМ, поддерживающие заданный средний ток через светодиод и позволяющие регулировать его яркость.
Недопустимо подавать на светодиоды напряжение с обратной полярностью, превышающее максимально допустимое обратное напряжение. Последнее обычно составляет несколько вольт. В схемах, где возможно появление обратного напряжения, светодиод должен быть защищён параллельно включённым обычным диодом в противоположной полярности светодиоду.
Световой поток светодиода практически прямо пропорционален току светодиода в широком диапазоне изменения тока (см. рисунок).
Цвета и материалы
Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде при номинальном прямом токе и полупроводниковый материал: ЦветДлина волны (нм)Прямоенапряжение (В)ПолупроводниковыйматериалИнфракрасный λ > 760 ΔU < 1,9 Арсенид галлия (GaAs) (940 нм)Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) (940 нм)Алюминия галлия арсенид (AlGaAs) (880 нм)Красный 610 < λ < 760 1,63 < ΔU < 2,03 Галлия(III) фосфид (GaP) (700 нм)Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) (660 нм)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) (625—630 нм)Галлия арсенид-фосфид (GaAsP), (625 нм)Синий светодиод, покрытый люминофором (PC red LED)Оранжевый (янтарный) 590 < λ < 610 2,03 < ΔU < 2,10 Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) (601—609 нм)Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) (607 нм)Синий светодиод, покрытый люминофором (PC amber LED)Жёлтый 570 < λ < 590 2,10 < ΔU < 2,18 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) (590 нм)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) (590 нм)Зелёный 500 < λ < 570 1,9 < ΔU < 4,0 Галлия(III) фосфид (GaP) (568 нм)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) (570 нм)Алюминия-галлия фосфид (AlGaP) (570 нм)Индия-галлия нитрид (InGaN) (525 нм)Синий светодиод, покрытый люминофором (Lime LED)Сине-зелёныйВ каталогах производителей называется bluish green, пример — светодиоды GNL-5053BGC500 < λ < 510 2,48 < ΔU < 3,7 Индия-галлия нитрид (InGaN) (505 нм)Синий450 < λ < 500 2,48 < ΔU < 3,7 Индия-галлия нитрид (InGaN) (450—470 нм)Селенид цинка (ZnSe)Карбид кремния (SiC) в качестве подложкиКремний (Si) в качестве подложки — (в разработке)Фиолетовый 400 < λ < 450 2,76 < ΔU < 4,0 Индия-галлия нитрид (InGaN) (405—440 нм)Пурпурный Смесь нескольких спектральных диапазонов 2,48 < ΔU < 3,7 Синий светодиод с красным люминофоромДвойной: синий и красный диоды в одном корпусеБелый светодиод с пурпурным светофильтромУльтрафиолетовый λ < 400 3,1 < ΔU < 4,4 Алмаз (235 нм) Нитрид бора (215 нм) Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)