Напівпровідниковий випромінювач - оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що перетворює електричну енергію електромагнітного випромінювання в енергію видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектру.
Як малоінерційних напівпровідникових джерел випромінювання все ширше застосовуються світловипромінюючі діоди (світлодіоди). що працюють при прямій напрузі. Іноді їх називають інжекційними светодиодам, а світіння, що виникає в світлодіодах, відносять до появи так званої инжекционной електролюмінесценції.
Електролюмінесценція називається випускання світла твердим тілом під дією прикладеної електричної напруги. В процесі електролюмінесценції відбувається безпосереднє перетворення енергії електричного поля в випромінювання. Цей вид випромінювання обумовлений рекомбінацією носіїв.
Електролюмінесценція буває в основному двох видів: предпробойная і инжекционная.
Предпробойная електролюмінесценція виникає при великих напряженностях електричного поля, близьких до пробійної. Однак на відміну від явища електричного пробою для виникнення електролюмінесценції досить, щоб поле великої напруженості могло існувати в невеликому обсязі люмінесцирующего кристала, наприклад, біля р-n-переходу або у електрода. Інший обсяг кристала в цьому випадку не дає можливості розвинутися пробою, що руйнує електролюмінесцірующій матеріал.
Инжекционная електролюмінесценція на відміну від предпробойной потребує докладання до зразка невеликих різниць потенціалів порядку декількох вольт. Основне значення тут має характер контактів між електродами і світиться речовиною. При включенні світлодіода в зворотному напрямку інжекції носіїв не буде, струм буде малим, і инжекционной електролюмінесценція не буде.
Принцип роботи світлодіодів полягає в наступному (рис.3.1). При прямій напрузі в напівпровідниковому діоді відбувається інжекція носіїв заряду з емітерний області в область бази. Наприклад, якщо концентрація електронів в n-області більше, ніж концентрація дірок в p-області, тобто nn> pp. то відбувається інжекція електронів з n-області в p-область. Інжектовані електрони рекомбінують з основними носіями базової області, в даному випадку з дірками p-області. Рекомбинируют електрони переходять з більш високих енергетичних рівнів зони провідності, близьких до її нижньої межі, на нижчі рівні, розташовані поблизу верхньої межі валентної зони. При цьому виділяється фотон, енергія якого майже дорівнює ширині забороненої зони DW, тобто
hn = hc / l »DW. (3.1)
Підставляючи в цю формулу постійні величини, можна визначити ширину забороненої зони DW (в еВ), необхідну для випромінювання з тією чи іншою довжиною хвилі l (в мкм):
З цього співвідношення випливає, що для випромінювання видимого світла з довжиною хвилі від 0,38 до 0,78 мкм напівпровідник повинен мати DW> 1,7еВ. Германій і кремній непридатні для світлодіодів, так як ширина забороненої зони у них занадто маленька. Для сучасних світлодіодів застосовують головним чином фосфід галію GaP і карбід кремнію SiC, а також деякі потрійні з'єднання, звані твердими розчинами, що складаються з галію, алюмінію і миш'яку (GaAlAs) або галію, миш'яку і фосфору (GaAsP) і ін. Внесення в напівпровідник деяких домішок дозволяє отримувати світіння різних квітів.
Крім світлодіодів, що дають видиме світіння, випускаються діоди інфрачервоного (ІЧ) випромінювання, що виготовляються переважно з арсеніду галію GaAs. Вони застосовуються в фотореле, різних датчиках і входять до складу деяких оптронів.
Основні параметри світлодіодів наступні:
1. Сила світла, яка вимірюється в канделах (одиниця сили світла, що випускається стандартним спеціальним джерелом) і вказується для певного значення прямого струму. У світлодіодів сила світла зазвичай становить одиниці -Сотні мкд.
2. Яскравість, що дорівнює відношенню сили світла до площі світиться поверхні (десятки - сотні кд на см2).
3. Постійне пряме напруга (2-3 В).
4. Колір світіння і довжина хвилі, відповідні максимальному світловому потоку.
5. Максимальний допустимий постійний прямий струм (десятки мА).
6. Максимальна допустима постійне зворотна напруга (одиниці В).
7. Діапазон температур навколишнього середовища, при яких світлодіод може нормально працювати (наприклад, від -60 до +70 0 С).
Для світлодіодів зазвичай розглядаються наступні характеристики. Яскравості характеристика дає залежність яскравості від прямого струму, а світлова характеристика - залежність сили світла від прямого струму. Спектральна характеристика показує залежність випромінювання від довжини хвилі. Вольтамперная характеристика світлодіода така ж, як і у звичайного випрямного діода, але відрізняється великими значеннями напруг (пряму напругу 2-3 В). Важливою характеристикою є діаграма спрямованості випромінювання, яка визначається конструкцією діода, зокрема наявністю лінзи, і іншими факторами. Випромінювання може бути спрямованим або розсіяним (дифузним).
Деякі параметри світлодіодів залежать від температури. Так, наприклад, яскравість і сила світла з підвищенням температури зменшуються. Швидкодію у світлодіодів високе. Світіння зростає до максимуму протягом приблизно 10 -8 с після подачі на діод імпульсу прямого струму.
Світлодіоди конструюють так, щоб назовні виходив якомога більший світловий потік. Однак значна частина потоку випромінювання все ж втрачається за рахунок поглинання в самому напівпровіднику і повного внутрішнього відображення на кордоні кристал-повітря. Конструктивно світлодіоди виконуються в металевих корпусах з лінзою, що забезпечує направлене випромінювання, або в прозорому пластмасовому корпусі, що створює розсіяне випромінювання. Виготовляються також безкорпусні діоди. Маса діода становить частки грама.
Світлодіоди є основою більш складних приладів: лінійної світлодіодним шкали, цифро-літерного світлодіодного індикатора і ін.
В одному корпусі може знаходиться кілька світлодіодів різних кольорів для отримання можливості зміни кольору світіння або отримання білого кольору.