Dioda elektroluminescencyjna

Symbol diody elektroluminescencyjnej (A - anoda, K - katoda).

Struktura wewnętrzna diody elektroluminescencyjnej: anoda (+) po lewej, katoda (-) po prawej stronie

Niebieska, zielona i czerwona dioda elektroluminescencyjna

Różne diody elektroluminescencyjne

Diody dużej mocy (tutaj przykład diod marki Luxeon)

Diody LED podświetlające wentylator komputerowy

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca (ang. light-emitting diode, LED) – dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

Wynalezienie diody

Do produkcji weszła w latach sześćdziesiątych w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę.

Możliwe jest, że została wynaleziona już wcześniej, w latach 20. XX wieku. Radziecki technik radiowy Oleg Łosiew zauważył, że diody ostrzowe używane w odbiornikach radiowych emitują światło, w latach 1927-30 opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych.

Działanie

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudopęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek galu (GaAs) i między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa – jest to parametr określający udział przejść rekombinacyjnych, w wyniku których generowane są fotony do ilości nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n, przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza).

$\eta _{qw}={\frac {N_{fot}}{N_{noso}}}={\frac {\frac {P_{prom}}{h\nu }}{\frac {I}{e}}}$

przy czym:

• N_fot – całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego;
• N_nośo – całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza;
• P_prom – moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika;
• h – stała Plancka;
• v – częstotliwość generowanego promieniowania;
• I – prąd elektryczny doprowadzony do diody;
• e – ładunek elektronu.

W krzemie i germanie dominują przejścia skośne.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania:

$\lambda ={\frac {hc}{W_{g}}}$

przy czym:

• W_g = W_c – W_v – szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,
• h – stała Plancka,
• c – prędkość światła.

Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej n_qz/n_nw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa n_qw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.

Na rysunku a) przekrój diody elektroluminescencyjnej płaskiej, a na rysunku b) półsferycznej. Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne

$q_{kr}=\mathrm {arcsin} {\frac {1}{n^{*}}}$

przy czym n* jest współczynnikiem załamania.

Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji exp[-a(l)x], gdzie a(l) jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, x zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.

Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku omawianej diody płaskiej określa zależność:

$\mu _{qz}={\frac {q}{P}}{\frac {4n^{*}}{(n^{*}+1)^{2}}}(1-\cos \phi _{kr}){\frac {\int \Phi (\lambda )[1+R~\exp(-2\alpha _{n}(\lambda )\chi _{n})]~\exp(\alpha _{p}(\lambda )\chi _{p})d\lambda }{\int \Phi (\lambda )d\lambda }}$

przy czym:

• P – moc wejściowa elektryczna;
• 4n*/(n*+1)² – współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza;
• f(l) – strumień fotonów;
• R – współczynnik odbicia od kontaktu tylnego;
• α_n, α_p – współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody;
• x_n , x_p – grubość obszaru n lub p diody.

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.

Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski do 950 nm – bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, arseno-fosforek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego; są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.

Nazwa	Materiał	Barwa
arsenek galu	GaAs	podczerwień
fosforek galu	GaP	czerwona, zielona, żółta
fosforo-arsenek galu	GaAs1-xPx	czerwona, pomarańczowa, żółta
galo-arsenek glinu	AlxGa1-xAs	czerwona, podczerwień
azotek galu	GaN	niebieska, biała (gdy dioda jest pokryta luminoforem, który wzbudzany przez niebieskie światło diody z azotku galu świeci przykładowo na żółto, co w efekcie daje barwę białą z widocznym lekkim niebieskim odcieniem)

Średni prąd przewodzenia I_F nie powinien przekraczać 20 – 1500 mA, zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego szeregowo z diodą lub stabilizatora prądu. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania diody. Zalety diod elektroluminescencyjnych:

• mały pobór prądu
• mała wartość napięcia zasilającego
• duża sprawność
• małe straty energii
• małe rozmiary
• duża trwałość
• duża wartość luminacji

Parametry diod elektroluminescencyjnych (LED)

• sprawność kwantowa (zewnętrzna)
• skuteczność świetlna
• długość fali emitowanego światła
• szerokość widmowa
• moc wyjściowa
• częstotliwość graniczna
• czas narastania lub opadania
• maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w mA)
• maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V)

Odmiany i zastosowania LED

Diody elektroluminescencyjne produkowane są w różnych wielkościach i kształtach obudów. W większości przypadków kolor obudowy odpowiada barwie emitowanego światła. Wyjątek stanowią obudowy bezbarwne które stosuje się do diod światła białego jak i innych barw również wielokolorowe oraz diod emitujących podczerwień.

• IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania
• HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za takie uważa się, których jasność przekracza 0,2 cd; znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła – w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach
• RGB LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy
• RGBA LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze bursztynowym (ang. Amber) powiększającą osiągalną przestrzeń barw
• RGBW LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze białym (ang. White). Przykładem diody RGBW jest dioda firmy CREE model MC-E RGBW
• warm white LED – Dioda generująca światło białe ciepłe (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa poniżej 3300 K). Diody ciepłe mają najbardziej zbliżoną temperaturę barwową do światła żarówki.
• neutral white LED – Dioda generująca światło białe neutralne (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa 3300 K - 5300 K)
• cool white LED – Dioda generująca światło białe zimne (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa powyżej 5300 K)
• High Power LED lub Power LED - Dioda wysokiej mocy, do poprawnej pracy wymaga zapewnienia odpowiedniego chłodzenia i źródła prądowego do zasilania. Białe diody tego typu mają najczęściej emiter wielkości około 1 mm², jasność około 100 lm przy prądzie 350 mA i pobieranej mocy około 1 W . Maksymalny prąd podawany przez producentów to zazwyczaj 0,7÷1,5A na 1 mm² struktury (maksymalny prąd zależy w głównej mierze od chłodzenia struktury świecącej diody). Firmy produkujące tego typu LED-y to (przykładowe modele w nawiasach): Philips Lumileds Lighting Company (Luxeon K2, Luxeon Rebel), CREE (XR-C, XR-E, XP-C, XP-E, XP-G, MC-E), Seoul Semiconductors (SSC-P4, SSC-P7), Osram Opto Semiconductors GmbH (Ostar, Oslon), Luminus Devices (SST-50, SST-90) Nichia.
  

Zespoły diod elektroluminescencyjnych są stosowane w różnego rodzaju wyświetlaczach, jak np. wyświetlacz siedmiosegmentowy.

Zobacz też

• Organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED)
• Dioda laserowa