Принцип работы светодиода

Как светодиод излучает свет

В основе работы лежит p-n переход — область контакта двух полупроводников с разным типом проводимости: n-типа (электронная, с избытком свободных электронов) и p-типа (дырочная, с недостатком электронов).

Когда через переход пропускают постоянный ток в прямом направлении, электроны из n-области и дырки из p-области движутся навстречу друг другу. В зоне перехода они встречаются и рекомбинируют: электрон занимает свободное место — дырку. При этом он переходит на более низкий энергетический уровень, а разница энергий выделяется в виде кванта света — фотона.

Цвет свечения зависит от того, какой именно полупроводник использован: разные материалы и добавки дают разную энергию перехода, а значит и разную длину волны излучения. Так получают весь цветовой ряд — от инфракрасного до синего.

Из чего состоит светодиод

полупроводниковый кристалл — та самая структура с p-n переходом, которая излучает свет;
подложка, на которой закреплен кристалл;
корпус с выводами контактов;
прозрачный силикон, заполняющий пространство между кристаллом и корпусом: он защищает кристалл и формирует направление светового потока;
основание из меди или алюминия — оно отводит тепло от кристалла.

Сам прибор очень компактный: корпус типового светодиода — всего несколько миллиметров.

Почему светодиоду нужен постоянный ток

Светодиод пропускает ток только в одном направлении. Если подключить его напрямую к сети переменного тока, он будет светиться лишь в один полупериод, а в другой — гаснуть. Получается мигание с частотой около 50 раз в секунду: глаз его почти не замечает, но нагрузка на прибор растет, потому что в обратном полупериоде к нему приложено обратное напряжение. Без ограничения это напряжение выводит светодиод из строя, поэтому в схему всегда добавляют элементы защиты.

Отдельное направление — AC-LED, светодиодные сборки, рассчитанные на прямое подключение к переменному току. В них кристаллы соединены в цепочки так, что в каждом полупериоде светится одна половина, а другая остается закрытой.

Немного истории

Свечение полупроводников физики наблюдали больше ста лет назад, но объяснить его тогда не могли. Одним из первых явление подробно исследовал и описал советский ученый Олег Лосев — он работал с кристаллами карбида кремния еще в 1920-х годах. Довести исследования до практического применения он не успел: Лосев погиб в блокадном Ленинграде.

Настоящий прорыв случился после войны, когда полупроводники стали главным объектом внимания мировой науки. Теория p-n перехода объяснила свойства этих материалов, включая свечение, и в 1962 году американский ученый Ник Холоньяк создал первый светодиод видимого диапазона — LED, от английского Light Emitting Diode, светоизлучающий диод.

Первые светодиоды светили красным, были тусклыми и годились только для индикации в приборах. Яркости для освещения им не хватало. Понадобилось несколько десятилетий, чтобы поднять световой поток и получить весь спектр цветов, включая синий, — только после этого светодиоды стали полноценными источниками света.

Основные характеристики светодиодов

Долговечность. Ресурс светодиода исчисляется десятками тысяч часов — это годы работы даже при ежедневном использовании. При этом он не перегорает мгновенно, как лампа накаливания, а постепенно теряет яркость.
Малый нагрев. Светодиод выделяет гораздо меньше тепла, чем лампа накаливания, и не нагревает предметы рядом. Тепло от кристалла отводит медное или алюминиевое основание. Отвод тепла критичен: чем сильнее греется кристалл, тем короче срок службы прибора, поэтому мощные светодиоды всегда ставят на радиатор.
Экономичность. Потребление электроэнергии почти на порядок ниже, чем у ламп накаливания при той же яркости.
Экологичность. В светодиоде нет ртути и других опасных веществ, в отличие от люминесцентных ламп, поэтому специальная утилизация ему не нужна.
Питание стабилизированным током. Светодиод чувствителен именно к току, а не к напряжению: небольшой рост напряжения вызывает резкий скачок тока и перегрев кристалла. Поэтому светодиоды никогда не подключают к сети напрямую — питание идет через драйвер или блок питания, который стабилизирует ток и гасит скачки в сети. Отдельному светодиоду для свечения нужно всего 2–3 вольта, а бытовая светодиодная лампа работает от 220 В только благодаря встроенному драйверу.
Работа в широком диапазоне температур. Светодиоды сохраняют работоспособность и на морозе, и в жару, причем на холоде даже эффективнее. А вот защита от влаги и пыли зависит не от самого кристалла, а от исполнения прибора: для улицы и влажных помещений нужен герметичный корпус или силиконовая заливка.