Полупроводниковые индикаторы реализуются на основе светоизлучающих диодов.
Светоизлучающий диод (светодиод) - это полупроводниковый прибор с одним р-п переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
Светодиоды предназначены для использования в устройствах визуального представления информации, а также в качестве светоизлучающего элемента в оптоэлектронных устройствах.
Принцип действия светодиода основан на излучении света р-п переходом некоторых полупроводников, вызываемом рекомбинацией электронов и дырок при прохождении прямого тока.
Светодиод имеет двухслойную структуру (рис.3.10, а).

Процессы, происходящие в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения и при прямом напряжении, такие же, как в обычном полупроводниковом диоде, но главную роль в светодиоде играют процессы рекомбинации, на рассмотрении которых следует остановиться подробно. Как известно, в собственных и примесных полупроводниках наряду с генерацией электронно-дырочных пар (за счет поглощения дополнительной энергии) происходят обратные процессы - рекомбинации электронов и дырок с выделением квантов энергии.
В большинстве полупроводников, в том числе в германии и в кремнии, выделяемая при рекомбинации энергия в основном превращается в тепловую, а излучаемая энергия мала; излучение из-за малой ширины запрещенной зоны находится в невидимой части спектра. В этом случае рекомбинация носит название безизлучательной.
В некоторых полупроводниках, имеющих большую ширину запрещенной зоны , например арсениде галлия (1,5 эВ), фосфиде галлия (2,2 эВ), карбиде кремния (2,5…3 эВ) и других, рекомбинация сопровождается выделением квантов света (фотонов), т.е. является излучательной.
При отсутствии внешнего напряжения на светодиоде интенсивность рекомбинаций настолько незначительна, что излучение р-п перехода не наблюдается. Обычно светодиоды изготовляют с несимметричным р-п переходом: концентрация дырок в р - области значительно превышает концентрацию электронов в п - области.
При включении источника прямого напряжения через р-п переход проходит большой ток за счет инжекции дырок из р - области в п - область. В результате п - область вблизи р-п перехода насыщается дырками, происходит интенсивная их рекомбинация с электронами, сопровождающаяся в рассматриваемых полупроводниках излучением света. Интенсивность излучения пропорциональна количеству носителей заряда, инжектированных через р-п переход. Поэтому светодиоды называют инжекционными. Для увеличения яркости свечения необходимо увеличивать прямой ток через светодиод. Чтобы обеспечить достаточную яркость излучения, требуется создать плотность тока порядка 30 А/см, а поскольку площадь р-п перехода очень мала, то прямой ток составляет обычно 5…100 мА.
Свечение, излучаемое р-п переходом светодиода, связано с энергетическими процессами и может быть объяснено с помощью диаграммы энергетических уровней. В результате инжекции в п - область неосновных для нее носителей заряда и большого количества в ней основных носителей получается значительное число электронов проводимости и дырок. На энергетической диаграмме это соответствует заполнению нижних уровней зоны проводимости электронами и появлению в верхней части валентной зоны незанятых электронами уровней - дырок (рис.3.10, б). Такое состояние неустойчиво, поэтому непрерывно происходит процесс обратного перехода электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны, т. е. рекомбинация электронов и дырок. Выделяющаяся при этом энергия для каждого случая рекомбинации равна разности энергий, соответствующих уровню, на котором электрон был в зоне проводимости, и уровню, на который он перешел в валентной зоне. Следовательно, длина волны излучения тем меньше, чем больше ширина запрещенной зоны.
При этом наблюдается свечение определенного цвета, зависящего от материала светодиода. Различные типы светодиодов могут дать красное, оранжевое, желтое, зеленое, голубое свечение, а также инфракрасное излучение, позволяя перекрыть диапазон длин волн от 0,45 до 0,9 мкм.
Часть фотонов, испускаемых р-п переходом при рекомбинации, не выходит из кристалла во внешнее пространство, а претерпевает отражение от его поверхности и поглощается затем в объеме полупроводника. Отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных носителей заряда, инжектированных через р-п переход, называется квантовой эффективностью излучения, или квантовым выходом. Квантовый выход составляет 0,1…0,3 %.
Структура и конструкция простейшего светодиода, а также его условное графическое обозначение показаны на рис.3.11.

В кристалле сложного полупроводника создаются области п-типа и р-типа, на которых имеются невыпрямляющие контакты для присоединения наружных выводов. Кристалл помещается в корпус с прозрачным окном, через которое от р-п перехода исходит излучение; в окно может быть вставлена линза.
Основными параметрами светодиода являются мощность или яркость излучения, длина волны излучаемого света, определяющая цвет свечения, ток и напряжение в рабочем режиме.
Светодиоды работают при прямом токе 3 - 40 мА и прямом напряжении 2,5…5,5 В.
Яркость свечения различна у светодиодов с разным цветом свечения. Наибольшую яркость имеют светодиоды с зеленым свечением - до 120 кд/м2 при постоянном токе 3 мА; яркость у остальных светодиодов - порядка 20…50 кд/м2.
К.п.д. светодиода, представляющий собой отношение мощности излучения к затраченной электрической мощности, очень низок и не превышает 1…3 %, так как основная часть электрической мощности превращается в тепло и составляет потери.
Светодиоды характеризуются очень малой инерционностью; их быстродействие составляет 10-7 …10-9 с.
Светодиоды нашли основное применение в качестве световых индикаторов на панелях управления электронной аппаратуры. Они могут служить элементами святящихся табло для отражения различной информации, индикаторами перегрузки, включения аппаратуры, измеряемых величин взамен стрелок на панелях измерительных приборов.
Система обозначений светодиодов такая же, как для обычных диодов.
Примеры обозначений: АЛ102Б, КЛ101В.

Для отображения цифровой или буквенной информации разработаны светодиоды серий КЛ104А, Б и КЛ105А, Б, В, а также Б - 60, Б -120 и другие (рис. 3.12, а). Такой светодиод представляет собой полупроводниковую пластину размером 5×8 мм2, на которой сформировано несколько светящихся единичных элементов - сегментов(рис. 3.12, в). Комбинация из семи таких элементов позволяет получить любую светящуюся цифру от 0 до 9 (рис. 3.12, б). Прибор оформлен в пластмассовом корпусе, со стеклянной полусферической линзой диаметром 14 мм и имеет массу 7 г. Единичый элемент имеет габариты 1,5×1,5×0,3 мм, массу 0,05 г. Корпус имеет по одному выводу от катода каждого единичного элемента и один общий вывод от анодов. Для экранов буквенно-цифровой индикации на одной пластине, являющейся подложкой, размещается набор светодиодов; например, семь рядов по пять светодиодов в каждом (рис. 3.12, г) - получается матрица из 35 единичных элементов, выводы от которых соединены с проводящими шинами соответствующего ряда и столбца. При подаче на определенную группу светодиодов прямого напряжения получается светящееся изображение требуемого знака. В интегральном исполнении такая матрица представляет собой интегральную микросхему. Из этих матриц составляется экран, отображающий определенную информацию.
В приборах для измерения электрического тока или напряжения единичные светодиоды могут быть расположены по одной линии, создавая светящуюся полоску, длина которой изменяется в зависимости от измеряемой величины. Значение этой величины определяют по шкале, проградуированной в соответствующих единицах.
Для составления многоразрядных индикаторов одноразрядные индикаторы объединяют в группы, содержащие от 2 до 12 приборов (рис.3.13).