Технические тонкости: физические принципы работы светодиодов

Осветительные приборы полупроводникового типа в последнее десятилетие наступают на российский и мировой рынок победным маршем. Сегодня на прилавках магазинов имеется просто огромный ассортимент таких устройство различных модификаций, предназначения и сферы применения: от декоративной праздничной продукции до китайских фонариков и мощных промышленных прожекторов, в основу работы которых положен принцип светодиодного излучения. Сам же светодиод представляет собой полупроводниковый элемент, где посредством особого физического процесса электрический ток преобразовывается в некогерентное световое излучение.

Это осуществляется путем пропускания потока носителей заряда через полупроводник, в результате чего происходит процесс инжекции выбитых с валентной орбитали электронов в базовую зону. Такой процесс называется самопроизвольной рекомбинацией и сопровождается переходом электронов на более низкий энергетический уровень. При этом выделяется определенная избыточная энергия в виде кванта света. Именно так на языке физики можно описать процесс получения светового излучения в светодиодных приборах. Данный принцип кардинально отличается от механизма действия газоразрядного, люминесцентного оборудования и традиционных ламп накаливания.

Анатомия светодиодов

Внутренняя архитектура светодиодных источников электромагнитного излучения довольно проста, но при этом технически изящна, элегантна и невероятно эффективна. Такие приборы состоят из полупроводникового кристалла, размещенного на специальной диэлектрической подложке, корпусной оболочки с контактными выводами и оптического рассеивающего или фокусирующего механизма в зависимости от типа и предназначения устройства. Для повышения эксплуатационной надежности и технической жизнестойкости прибора полость между полимерной корпусной оболочкой и функциональным полупроводниковым кристаллом заливается инертным и абсолютно прозрачным жидким силиконовым составом, который не взаимодействует со световым потоком и не искажает излучение.

Кроме того, в конструкции светодиодов имеется алюминиевая основа для эффективного отвода избыточной тепловой энергии, выделяющейся в процессе работы устройства. Следует заметить, что тепла выделяется совершенно незначительное количество, особенно в сравнении с аналогами других типов. Однако даже оно способно снизить рабочий ресурс светодиодного устройства. Чтобы этого не происходило, используется алюминиевый компонент, который и рассеивает тепловую энергию. Это можно назвать своеобразной системой охлаждения.

Атомный уровень

Если же детально рассматривать принципы работы светодиодных элементов, то весь процесс получения световой энергии в устройствах данной модификации построен на уникальных физических свойствах некоторых материалов, называемых полупроводниками. Светодиодный элемент состоит из полупроводникового p-n-перехода, именуемого также электронно-дырчатым. Посредством процесса легирования материал n-типа обогащают отрицательно заряженными носителями тока, а p-типа – положительно заряженными. В результате этого атомы в первом веществе получают дополнительные электроны, а атомы второго – пробоины на валентных орбиталях, то есть места, где электроны отсутствуют.

Это и приводит к упомянутому выше процессу инжекции после приложения к системе электромагнитного поля. Нюанс здесь заключается в том, что не все материалы испускают фотоны с длиной волны в видимом спектре. Поэтому при изготовлении полупроводникового оборудования выбираются соответствующие материалы. А цвет излучения зависит от длины генерируемой электромагнитной волны. Комбинирование различных материалов позволяет получать множество цветовых оттенков.