Как работает светодиод

Внутри светодиода находятся области полупроводника с проводимостью p- и n-типа. На их границе образуется p-n-переход с внутренним электрическим полем, которое препятствует свободному движению носителей заряда. Когда к аноду прикладывают положительный потенциал относительно катода, потенциальный барьер уменьшается и через переход начинает проходить прямой ток.

Электроны перемещаются из n-области, а дырки – из p-области. В активной области они встречаются и рекомбинируют. Общие электрические процессы в таком переходе подробнее разобраны на странице как работает диод.

Светодиод не ведёт себя как резистор с постоянным сопротивлением. Его ток зависит от приложенного напряжения нелинейно: после открытия перехода небольшое изменение напряжения может заметно изменить ток. Конкретная вольт-амперная характеристика определяется материалом кристалла, конструкцией и температурой.

При рекомбинации электрон переходит в состояние с меньшей энергией и заполняет свободное место, связанное с дыркой. Разность энергий должна куда-то перейти. В светодиодных полупроводниковых материалах значительная её часть выделяется в виде фотонов – квантов света. Такой процесс называют излучательной рекомбинацией.

Не каждая рекомбинация создаёт полезный фотон. Часть энергии теряется внутри кристалла без излучения, поглощается материалами корпуса или превращается в тепло. Поэтому электрическая мощность светодиода не равна его световой мощности.

На выход света влияют устройство активной области, качество кристалла, форма корпуса, отражающие поверхности и линза. Два светодиода при одинаковом токе могут иметь разную силу света или световой поток, даже если их корпуса выглядят одинаково. Для сравнения используют оптические параметры из даташита, измеренные при указанных токе и температуре.

Энергия фотона связана с шириной запрещённой зоны полупроводникового материала. Чем она больше, тем выше энергия излучения и тем короче его длина волны. Поэтому цвет задаётся прежде всего составом и структурой кристалла, а не окраской прозрачного корпуса.

Белый свет обычно получают не прямым излучением белого цвета, а преобразованием. Синий или фиолетовый кристалл возбуждает люминофор, который переизлучает часть энергии в более широком спектре. Смешение исходного и преобразованного излучения воспринимается как белый свет.

Для точного выбора смотрят не только название цвета, но и доминирующую длину волны, координаты цветности или цветовую температуру – в зависимости от исполнения.

В рабочем режиме светодиод включён в прямом направлении. Через него проходит ток IF, а между анодом и катодом возникает прямое напряжение VF. В даташите его указывают для определённого тока и температуры, часто как типичное значение вместе с допустимыми границами.

Прямое напряжение не является точным напряжением питания светодиода. Оно изменяется от экземпляра к экземпляру, зависит от цвета, материала, тока и температуры. Поэтому сначала задают безопасный рабочий ток, а затем рассчитывают цепь, которая этот ток ограничит. Общие способы подбора сопротивления собраны в разделе расчёты резисторов.

Для одиночного маломощного светодиода ток часто ограничивают последовательным резистором. В мощных светодиодах и цепочках применяют драйвер, поддерживающий заданный ток при изменении напряжения и температуры.

При увеличении прямого тока в допустимом диапазоне число рекомбинаций растёт, поэтому светодиод обычно излучает больше света. Однако зависимость не обязана оставаться строго пропорциональной. Нагрев и внутренние потери могут снижать эффективность, особенно у мощных светодиодов при работе возле предельных режимов.

Сравнивать яркость только по току нельзя. На результат влияют тип кристалла, оптика корпуса, угол излучения, световой поток или сила света, температура перехода и условия измерения. Узконаправленный светодиод может казаться ярче при взгляде по оси, хотя его общий световой поток будет меньше, чем у широкоугольного исполнения.

Для плавного управления применяют изменение постоянного тока либо широтно-импульсную модуляцию. Во втором случае ток быстро включается и выключается, а воспринимаемая яркость зависит от доли времени включения. Частоту, импульсный ток и допустимую скважность проверяют по документации светодиода и драйвера.

Часть подводимой электрической мощности превращается в свет, а остальная рассеивается как тепло. Оно возникает в активной области кристалла и должно пройти через корпус, контактные площадки, печатную плату и при необходимости радиатор. Температура p-n-перехода при этом может быть значительно выше температуры воздуха рядом со светодиодом.

С ростом температуры прямое напряжение обычно уменьшается, а световая отдача, оттенок и скорость старения могут изменяться. Точные зависимости определяются конструкцией и приводятся в даташите в виде графиков или температурных коэффициентов.

Особенно чувствительны к отводу тепла мощные светодиоды. Для них учитывают тепловое сопротивление всей цепочки от перехода до окружающей среды, качество пайки, площадь медных площадок, материал платы и контакт с радиатором. Поддержание тока драйвером уменьшает риск его самопроизвольного роста при нагреве, но не заменяет расчёт охлаждения.