СВЕТОИЗЛУЧА́ЮЩИЙ ДИО́Д

СВЕТОИЗЛУЧА́ЮЩИЙ ДИО́Д (све­то­ди­од), по­лу­про­вод­ни­ко­вый ди­од, в ко­то­ром при про­хо­ж­де­нии элек­трич. то­ка ге­не­ри­ру­ет­ся оп­ти­че­ское из­лу­че­ние. Дей­ст­вие С. д. ос­но­ва­но на яв­ле­нии ин­жек­ци­он­ной элек­тро­лю­ми­нес­цен­ции; из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те спон­тан­ной ре­ком­би­на­ции не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­дов (элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти и ды­рок), ин­жек­ти­ро­ван­ных под дей­ст­ви­ем при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния в об­ласть по­лу­про­вод­ни­ка, при­ле­гаю­щую к p–n-пе­ре­хо­ду или кон­так­ту ме­талл – по­лу­про­вод­ник. Та­кое из­лу­че­ние не­ко­ге­рент­но, од­на­ко, в от­ли­чие от те­п­ло­вых ис­точ­ни­ков све­та, име­ет бо­лее уз­кий спектр (ши­ри­на спек­тра обыч­но не пре­вы­ша­ет 0,05 мкм), вслед­ст­вие че­го в ви­ди­мой об­лас­ти вос­при­ни­ма­ет­ся как од­но­цвет­ное. Цвет из­лу­че­ния оп­ре­де­ля­ет­ся как ис­поль­зуе­мым ПП ма­те­риа­лом, так и ле­ги­рую­щи­ми при­ме­ся­ми.

По спо­со­бу ин­жек­ции не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да раз­ли­ча­ют С. д. с пря­мо сме­щён­ным p–n-пе­ре­хо­дом (наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны), об­рат­но сме­щён­ным p–n-пе­ре­хо­дом в ре­жи­ме ла­вин­но­го про­боя, а так­же дио­ды с барь­е­ром Шотт­ки. При­ме­ня­ют­ся две кон­ст­рук­ции С. д. – пло­ская (ПП кри­сталл име­ет фор­му пла­стин­ки) и по­лу­сфе­ри­че­ская (ПП кри­сталл вы­пол­нен в ви­де по­лу­сфе­ры).

Яв­ле­ние ин­жек­ци­он­ной элек­тро­лю­ми­нес­цен­ции впер­вые на­блю­да­лось в дио­де на ос­но­ве SiC О. В. Ло­се­вым в 1923. Пер­во­на­чаль­но (1950–70-е гг.) для пром. из­го­тов­ле­ния С. д. ча­ще все­го ис­поль­зова­лись SiC, со­еди­не­ния ти­па А^IIIВ^V (напр., GaAs, GaP) и их твёр­дые рас­тво­ры (GaAs_1–xP_x, Al_xGa_1–xAs, Ga_1–xIn_xP); в ка­че­ст­ве ле­ги­рую­щих при­ме­сей – в GaP – цинк и ки­сло­род (С. д. крас­но­го цве­та) или азот (С. д. зе­лё­но­го цве­та), в GaAs – крем­ний ли­бо цинк и тел­лур (С. д. ИК-из­лу­че­ния). Эти С. д. (све­то­вая от­да­ча ок. 0,2 лм/Вт) в осн. при­ме­ня­лись в разл. ап­па­ра­ту­ре в ка­че­ст­ве ин­ди­ка­то­ров.

На­ча­ло но­вой эры в про­из-ве и при­ме­не­нии С. д. от­но­сит­ся к 1980–90-м гг., ко­гда бы­ли по­лу­че­ны двой­ные ге­те­ро­ст­рук­ту­ры – на ос­но­ве GaAlAs, AlInGaAs, AlGaInP, по­зво­лив­шие рез­ко по­вы­сить (в 10² и бо­лее) эф­фек­тив­ность пре­об­ра­зо­ва­ния элек­трич. энер­гии в из­лу­че­ние и су­ще­ст­вен­но улуч­шить из­лу­чат. ха­рак­те­ри­сти­ки, а так­же раз­ра­бо­та­ны све­то­дио­ды си­не­го све­че­ния (ок. 470 нм) на ос­но­ве нит­ри­да гал­лия (GaN) и его твёр­дых рас­тво­ров (InGaN, AlGaN), с по­яв­ле­ни­ем ко­то­рых ста­ло воз­мож­ным со­зда­ние при­бо­ров с бе­лым из­лу­че­ни­ем и их при­ме­не­ние в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков све­та (в т. ч. для ос­ве­ще­ния). Бе­лый свет в С. д. по­лу­ча­ют ли­бо с по­мо­щью лю­ми­но­фо­ров, пре­об­ра­зую­щих ко­рот­ко­вол­но­вое из­лу­че­ние в бо­лее длин­но­вол­но­вое (ана­ло­гич­но лю­ми­нес­цент­ным лам­пам), ли­бо ад­ди­тив­ным сме­ши­ва­ни­ем из­лу­че­ний крас­но­го, зе­лё­но­го и си­не­го цве­та. Луч­шей цве­то­пе­ре­да­чи при бо­лее вы­со­кой све­то­вой от­да­че дос­ти­га­ют при ис­поль­зо­ва­нии трёх цвет­ных лю­ми­но­фо­ров.

Совр. С. д. из­лу­ча­ют во всей ви­ди­мой, а так­же в УФ- и ИК-об­лас­тях спек­тра. ПП ма­те­риа­лы с разл. ти­па­ми про­во­ди­мо­сти и раз­ной ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны по­лу­ча­ют, как пра­ви­ло, ме­то­дом эпи­так­си­аль­но­го на­ра­щи­ва­ния (см. Эпи­так­сия) на под­лож­ках из сап­фи­ра (Al₂О₃), кар­би­да крем­ния (SiC), ар­се­ни­да или фос­фи­да гал­лия (GaAs, GaP). Осн. па­ра­мет­ры С. д.: кпд пре­об­ра­зо­ва­ния элек­трич. энер­гии в энер­гию из­лу­че­ния (η) со­став­ля­ет от еди­ниц до де­сят­ков %; инер­ци­он­ность (ха­рак­те­ри­зу­ет­ся по­сто­ян­ны­ми вре­ме­ни на­рас­та­ния и спа­да мощ­но­сти из­лу­че­ния) обыч­но не пре­вы­ша­ет до­лей мкс; яр­кость из­лу­че­ния дос­ти­га­ет 10⁵ кд/м²; све­то­вая от­да­ча со­став­ля­ет до 50–130 лм/Вт и бо­лее; срок служ­бы – св. 50000 ч (по это­му па­ра­мет­ру С. д. пре­вос­хо­дят все ос­таль­ные ти­пы ис­точ­ни­ков све­та). К др. до­сто­ин­ст­вам, обу­сло­вив­шим ши­ро­кое вне­дре­ние С. д. в све­то­тех­ни­ку, от­но­сят­ся: вы­со­кая на­дёж­ность; ма­лые га­ба­рит­ные раз­ме­ры; от­сут­ст­вие не­об­хо­ди­мо­сти во внеш­них оп­тич. эле­мен­тах (лин­зах, от­ра­жа­те­лях и др.); спо­соб­ность ра­бо­тать в ши­ро­ком диа­па­зо­не тем­пе­ра­тур (от –55 до +85 °C); эко­ло­гич­ность, свя­зан­ная с от­сут­ст­ви­ем рту­ти и др. вред­ных ве­ществ; элек­трич. безо­пас­ность; про­сто­та схем вклю­че­ния и управ­ле­ния. Осн. не­дос­та­ток С. д. – ма­лая еди­нич­ная мощ­ность (обыч­но не пре­вы­ша­ет не­сколь­ких Вт).

К сер. 2000-х гг. ми­ро­вы­ми фир­ма­ми, в т. ч. рос­сий­ски­ми, ос­вое­но про­из-во мно­го­кри­сталль­ных С. д. (т. н. све­то­ди­од­ных ламп) мощ­но­стью до 5–10 Вт; раз­ра­бо­та­ны ос­ве­тит. при­бо­ры и ус­та­нов­ки, со­дер­жа­щие от де­сят­ков до со­тен и ты­сяч С. д. (улич­ные све­тиль­ни­ки, про­жек­то­ры, ав­то­мо­биль­ные фа­ры и т. д.). С. д. при­ме­ня­ют­ся так­же для ар­хит.-ху­дож. ос­ве­ще­ния (де­ко­ра­тив­ная под­свет­ка фон­та­нов и фа­са­дов зда­ний), в све­то­сиг­наль­ных уст­рой­ст­вах (све­то­фо­ры, до­рож­ные ука­за­те­ли, га­ба­рит­ные ог­ни ав­то­мо­би­лей и т. п.), рек­лам­но-ин­фор­мац. таб­ло, па­не­лях и эк­ра­нах в сис­те­мах ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции, уст­рой­ст­вах оп­тич. свя­зи и др.

Кро­ме тра­ди­ци­он­ных ПП С. д., по­лу­чи­ли рас­про­стра­не­ние ор­га­нич. све­то­дио­ды, в ко­то­рых све­то­из­лу­чаю­щий слой из ор­га­нич. ма­те­риа­лов, ле­ги­ро­ван­ных ме­тал­ла­ми, рас­по­ла­га­ет­ся ме­ж­ду дву­мя тон­чай­ши­ми слоя­ми др. ор­га­нич. ма­те­риа­лов, пре­вра­щён­ных с по­мо­щью до­ба­вок в ПП p- и n-ти­пов. Ор­га­нич. С. д. име­ют яр­кость до со­тен кд/м², со­из­ме­ри­мый с обыч­ны­ми све­то­дио­да­ми срок служ­бы, но за­мет­но ус­ту­па­ют по­след­ним по све­то­вой от­да­че; при­ме­ня­ют­ся в осн. для из­го­тов­ле­ния гиб­ких тон­ких па­не­лей для дис­пле­ев но­ут­бу­ков.

За изо­бре­те­ние и вне­дре­ние в мас­со­вое про­из-во си­них све­то­дио­дов, дав­ших «свет для 21 в.», япон. учё­ным Иса­му Ака­са­ки и Хи­ро­си Ама­но, а так­же Сюд­зи На­ка­му­ре (США) при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. (2014).