Физика процесса электролюминесценции

Зеленая электролюминесценция на кристалле, наблюдаемая в экспериментах H. J. Round's в 1907.

Вольт-амперная (V-I) характеристика светоизлучающего диода СИД.

Зонная диаграмма поясняющая принцип работы светоизлучающего диода СИД.

Светоизлучающий диод СИД, как и обычный диод, состоит из кристалла полупроводникового материала легированного различными примесями для создания P/N перехода. Как и в обычном диоде, в светоизлучающем диоде ток протекает через переход между полупроводником P-типа, или анодом и полупроводником N-типа - катодом, но не в обратном, а в прямом направлении.

Одним из параметров P/N перехода является ширина запрещённой зоны (ширина энергетического зазора между валентной зоной и зоной проводимости). В случае рекомбинации электрона и дырки, электрон попадает с более высокого энергетического уровня на более низкий, при этом электрон отдаёт часть своей энергии, которая излучается в виде фотона. Длина волны света испускаемого от светодиодных (СИД) излучателей определяется физическими параметрами P/N перехода используемых полупроводниковых материалов.

Коэффициент полезного действия (КПД) светодиода

Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной работы к

затраченной энергии. КПД является безразмерной величиной и часто

измеряется в процентах.

Применительно к источникам света КПД характеризует, какая часть

затраченной электрической энергии преобразуется в видимый свет.

Существует мнение, что КПД светодиода близок к 100%, то есть, вся

приложенная к светодиоду энергия преобразуется в свет. Скорее всего, это

относится к КПД по КВАНТОВОМУ ВЫХОДУ, то есть, каждый элементарный

носитель заряда, электрон, введенный извне в светодиод, вызывает

излучение фотона (кванта световой энергии). Другими словами, 1 электрон

в идеальном случае вызывает излучение 1 фотона. Есть сообщения, что

ученые уже разработали белый светодиод с КПД по квантовому выходу почти

100%.

Что же касается ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КПД, или соотношения Ватта полученной

световой энергии к Ватту затраченной электроэнергии, то это соотношение

весьма далеко от 100%. Потому что прежде чем электрон инициирует

излучение фотона, он успевает затратить часть своей энергии (а

следовательно и знергии источника питания) на нагрев среды, в которой он

перемещается.

Поэтому светодиоды тоже греются, то есть, часть энергии тратится

попусту, на нагрев окружающей среды: нам нужен свет, а мы получаем и

свет и тепло.

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход.Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.
Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.