Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, dioda emitująca światło, LED (ang. light-emitting diode) – dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.
Do produkcji weszła w latach 60. XX w. w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę.
Jednak już w latach 20. XX wieku, radziecki technik radiowy Oleg Łosiew w trakcie badań półprzewodników zauważył, że diody ostrzowe ze złączem wykonanym z węgliku krzemu emitują światło, w latach 1927–1930 opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych[1], co czyni go prawdziwym odkrywcą efektu elektroluminescencji.
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 tak zwane 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 właściwości głównie ten związek stosuje się do produkcji źródeł promieniowania. Drugim powodem popularności arsenku galu jest jego bardzo duża sprawność kwantowa – 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).
gdzie:
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 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:
gdzie:
Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej O ile wewnętrzna sprawność kwantowa jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.
Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne
gdzie jest współczynnikiem załamania.
Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji gdzie jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.
Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku diody płaskiej określa zależność:
gdzie:
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, na przykład GaAsP, w których są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali = 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, na przykład arsenek galu, fosforek galu, arsenofosforek galu, 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 |
arsenofosforek galu | GaAs1-xPx | czerwona, pomarańczowa, żółta |
galoarsenek 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 nie powinien przekraczać 20–1500 mA, zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego opornika 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 to:
Zespoły diod elektroluminescencyjnych są stosowane w różnego rodzaju wyświetlaczach, na przykład siedmiosegmentowych.