Светодиод, в электронике, полупроводниковый прибор, который излучает инфракрасный или видимый свет, когда заряжается электрическим током. Светодиоды видимого света используются во многих электронных устройствах в качестве индикаторных ламп, в автомобилях — в качестве фонарей заднего стекла и стоп-сигналов, а на рекламных щитах и вывесках — в качестве алфавитно-цифровых дисплеев или даже полноцветных плакатов. Инфракрасные светодиоды используются в камерах с автофокусом и пультах дистанционного управления телевизорами, а также в качестве источников света в волоконно-оптических телекоммуникационных системах.
Привычная лампочка излучает свет благодаря накаливанию — явлению, при котором нагрев проволочной нити электрическим током приводит к испусканию фотонов, основных энергетических пакетов света. Светодиоды работают за счет электролюминесценции — явления, при котором излучение фотонов вызвано электронным возбуждением материала. Чаще всего в светодиодах используется арсенид галлия, хотя существует множество вариаций этого базового соединения, например арсенид галлия алюминия или фосфид индия галлия. Эти соединения относятся к так называемой III-V группе полупроводников, то есть к соединениям, состоящим из элементов, перечисленных в столбцах III и V периодической таблицы. Варьируя точный состав полупроводника, можно изменять длину волны (а значит, и цвет) излучаемого света. Излучение светодиодов обычно происходит в видимой части спектра (т.е. с длиной волны от 0,4 до 0,7 микрометра) или в ближней инфракрасной области (с длиной волны от 0,7 до 2,0 микрометра). Яркость света, наблюдаемого от светодиода, зависит от мощности, излучаемой светодиодом, и от относительной чувствительности глаза к длине излучаемой волны. Максимальная чувствительность наблюдается при 0,555 мкм, что находится в желто-оранжевой и зеленой области. Прилагаемое напряжение в большинстве светодиодов довольно низкое, в районе 2,0 вольт; сила тока зависит от области применения и составляет от нескольких миллиампер до нескольких сотен миллиампер.
Термин «диод» относится к двухконтактной структуре светоизлучающего устройства. В фонарике, например, проволочная нить накаливания подключается к батарее через две клеммы, одна из которых (анод) несет отрицательный электрический заряд, а другая (катод) — положительный. В светодиодах, как и в других полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы, «клеммы» на самом деле представляют собой два полупроводниковых материала разного состава и электронных свойств, соединенных вместе для образования спая. В одном материале (отрицательном, или полупроводнике n-типа) носителями заряда являются электроны, а в другом (положительном, или полупроводнике p-типа) — «дырки», образующиеся из-за отсутствия электронов. Под воздействием электрического поля (например, от батареи, когда светодиод включен) ток может протекать через p-n-переход, обеспечивая электронное возбуждение, которое заставляет материал светиться.
В типичной светодиодной конструкции прозрачный купол из эпоксидной смолы служит структурным элементом, удерживающим свинцовую раму вместе, линзой для фокусировки света, а также для согласования показателя преломления, чтобы позволить большему количеству света выходить из светодиодного чипа. Чип, обычно размером 250 × 250 × 250 микрометров, устанавливается в отражающую чашку, сформированную в свинцовой раме. Слои p-n-типа GaP:N представляют собой азот, добавленный к фосфиду галлия для получения зеленого излучения; слои p-n-типа GaAsP:N представляют собой азот, добавленный к фосфиду арсенида галлия для получения оранжевого и желтого излучения; а слой p-типа GaP:Zn,O представляет собой цинк и кислород, добавленные к фосфиду галлия для получения красного излучения. Два дальнейших усовершенствования, разработанных в 1990-х годах, — это светодиоды на основе фосфида алюминия галлия индия, которые эффективно излучают свет от зеленого до красно-оранжевого, а также светодиоды, излучающие синий цвет, на основе карбида кремния или нитрида галлия. Синие светодиоды можно объединять в кластеры с другими светодиодами, чтобы получить все цвета, включая белый, для полноцветных движущихся дисплеев.
Любой светодиод может быть использован в качестве источника света для волоконно-оптической системы передачи на короткие расстояния — то есть на расстояние менее 100 метров (330 футов). Однако для волоконной оптики дальнего действия необходимо, чтобы излучательные свойства источника света соответствовали передаточным свойствам оптического волокна, и в этом случае инфракрасные светодиоды подходят лучше, чем светодиоды видимого света. Стеклянные оптические волокна имеют самые низкие потери при передаче в инфракрасной области на длинах волн 1,3 и 1,55 микрометра. Чтобы соответствовать этим свойствам пропускания, используются светодиоды, изготовленные из фосфида арсенида галлия и индия, наслоенного на подложку из фосфида индия. Точный состав материала может быть настроен таким образом, чтобы излучать энергию именно на 1,3 или 1,55 микрометра.