energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2026-69-3-218-234energy-2565Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGРоль отрицательных ионов в светодиодахThe Role of Negative Ions in LEDsГречихинЛ. И.GretchikhinL. I.

Адрес для переписки:Гречихин Леонид ИвановичУО «Белорусская государственная академия связи»ул. Уборевича, 77,220096, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 378-46-44

gretchihin@yandex.ru

Address for correspondence:Gretchikhin Leonid I.Educational Institution “Belarusian State Academy of Communication”77, Uborevich str.,220096, Minsk, Republic of BelarusТеl.: +375 17 378-46-44

gretchihin@yandex.ru

gretchihin@yandex.ruБелорусская государственная академия связиБеларусьBelarusian State Academy of CommunicationBelarus202611062026693218234Copyright © Гречихин Л.И., 20262026Гречихин Л.И.Gretchikhin L.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2565

В светодиодах в качестве основы используется полупроводниковый кристалл с поверхностью в индексах Миллера (111), формируемый двухатомными молекулами арсенида галлия или фосфида индия объемными кластерами. Внутри них возникает структура из положительно заряженных ионов атомов галлия и мышьяка в арсениде галлия и обменного взаимодействия между положительно заряженными ионами атомов индия и фосфора в фосфиде индия. Положительно заряженный остов компенсируется облаком электронов. В светодиодах возникает электрический ток проводимости и смещения. Поверхность кристалла покрыта монослоем двухатомных молекул с образованием пустот квадратной формы, в которых могут разместиться одиночные примеси (до четырех разных атомов) с образованием отрицательных ионов. В качестве катода используется кристалл арсенида галлия или фосфида индия с примесью, а в качестве анода – алюминий. Ионизация отрицательных ионов разных примесей происходит под воздействием температуры и приложенного внешнего электрического поля. После ионизации возникают свободные электроны, которые в столбообразной пустоте формируют электрический ток проводимости, определяющий мощность светоизлучения. Размер светоизлучающей поверхности светодиода ~10´10 нм. В зоне контакта анода и катода происходит частичное рассеяние электронного потока электрического тока проводимости, что заметно уменьшает мощность светоизлучения. Оно обусловлено энергетическим переходом свободного электрона с верхнего энергетического уровня на нижележащий уровень по схеме, как это происходит в атомах. Вольт-амперные характеристики для светодиодов определяются путем измерения электрического тока смещения во внешней цепи и напряжения на источнике тока. Эти данные не позволяют анализировать работу светодиода, так как светодиод работает на токе проводимости, который возникает внутри него. Какую долю он составляет от общего тока смещения, измеряемого во внешней цепи, трудно определить. В результате теоретического расчета оптимальный электрический ток проводимости в светодиоде не должен превышать 10 мA, а напряжение питания составляет от 1,3 до 3,5 В. Питание светодиода осуществляется только через балластное сопротивление с применением широтно-импульсной модуляции.

LEDs are based on a semiconductor crystal with a surface in Miller indices (111), formed by diatomic molecules of gallium arsenide or indium phosphide in bulk clusters. A structure of positively charged ions of gallium and arsenic atoms in gallium arsenide and as well as of an exchange interaction between positively charged ions of indium atoms arises inside them. The positively charged skeleton is compensated by an electron cloud. An electric current of conduction and displacement occurs in LEDs. The crystal surface is covered with a monolayer of diatomic molecules with the formation of quadrate voids, which can accommodate single impurities (up to four different atoms) with the formation of negative ions. A crystal of gallium arsenide or indium phosphide with an admixture is used as the cathode, and aluminum is used as the anode. The ionization of negative ions of various impurities occurs under the influence of temperature and an applied external electric field. After ionization, free electrons arise which form an electric conduction current in the columnar void. An electric conduction current determines the power of light emission. The size of the light-emitting surface of the LED is ~10´10 nm. In the contact zone of the anode and cathode, a partial scattering of the electron flow of the conduction current occurs, which significantly reduces the power of light emission. A scattering is caused by the energetic transition of a free electron from the upper energy level to the underlying level according to the scheme as it occurs in atoms. The volt-ampere characteristics for LEDs are determined by measuring the electric bias current in the external circuit and the voltage at the current source. These data do not allow us to analyze the operation of the LED, since the LED operates on the conduction current that occurs inside it. It is difficult to determine what proportion it makes up of the total displacement current measured in the external circuit. As a result of the theoretical calculation, the optimal electrical conduction current in the LED should not exceed 10 mA, while the supply voltage ranges from 1.3 to 3.5 V. The LED is powered only through ballast resistance using pulse width modulation.

светодиодсветоизлучениеток проводимоститок смещенияширотноимпульсная модуляциявольт-амперная характеристикаLEDlight emissionconduction currentdisplacement currentpulse width modulationvolt-ampere characteristicReferencesГрибковский, В. П. Полупроводниковые лазеры / В. П. Грибковский. Минск: Университетское, 1988. 304 с.Gribkovskii V. P. (1988) Semiconductor Lasers. Minsk, Universitetskoye Publ. 304. (in Russian).Гладков, Л. Л. Физические основы электроники / Л. Л. Гладков, И. Р. Гулаков, А. О. Зеневич. Минск: Белорусская государственная академия связи, 2017. 227 с.Gladkov L. L., Gulakov I. R., Zenevich A. O. (2017) Physical Foundations of Electronics. Minsk, Belarusian State Academy of Communications. 227 (in Russian).Gretchikhin, L. Negative Ions of Atoms, Diatomic and Triatomic Molecules // Military Technical Courier / L. Gretchikhin, V. Komarovskaya // Vojnotehnicki glasnik. 2016. Vol. 64, No 2. P. 447–464. https://doi.org/10.5937/vojtehg64-9685Gretchikhin L., Komarovskaya V. (2016) Negative Ions of Atoms, Diatomic and Triatomic Molecules. Vojnotehnički glasnik, 64 (2), 447–464. https://doi.org/10.5937/vojtehg64-9685Gretchikhin, L. I. Formation of p–n-Сonductivity in Semiconductors / L. Gretchikhin // Vojnotehnicki Glasnik. 2018. Vol. 66, No 3. P. 304–321. https://doi.org/10.5937/vojtehg6615935Gretchikhin L. I. (2018) Formation of p–n-Conductivity in Semiconductors. Vojnotehnički glasnik, 66 (2), 304–321. https://doi.org/10.5937/vojtehg66-15935Гречихин, Л. И. Формирование р-, n-проводимости и p–n перехода / Л. И. Гречихин // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14, № 5. С. 231–238.Grechikhin L. I. (2018) The Formation of p-, n-Conductivity and p–n-Jun. Uprochnyayushchie Technologii i Pokrytiya = Strengthening Technologies and Coating, 14 (5), 231–238 (in Russian).Гречихин, Л. И. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов металлполупроводник. Ч. 1: Формирование токов проводимости и токов смещения на p-n переходе / Л. И. Гречихин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2025. Т. 68, № 3. С. 209–229. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-3-209-229Gretchikhin L. I. (2025) Volt-Ampere Characteristics of Metal-Semiconductor Rectifier Diodes. Part 1: Formation of Conduction Currents and Displacement Currents at the p–n Junction. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 68 (3), 209–229 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-3-209-229Гречихин, Л. И. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов металлполупроводник. Ч. 2: Вольт-амперные характеристики диодов металл–полупроводник / Л. И. Гречихин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2025. Т. 68, № 4. С. 291–310. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-4-291-310Gretchikhin L. I. (2025) Volt-ampere Characteristics of Metal-semiconductor Rectifier Diodes. Part 2. Volt-Ampere Characteristics of Metal-Semiconductor Diodes. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 68 (4), 291–310 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-4-291-310Гречихин, Л. И. Теория биполярного транзистора с учетом строения твердого тела и наличия отрицательных ионов. Ч. 1: Строение полупроводникового твердого тела, легированного мышьяком и индием / Л. И. Гречихин. // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2025. Т. 68, № 6. С. 491–503. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-6-491-503Gretchikhin L. I. (2025) Theory of the Bipolar Transistor, Taking into Account the Structure of a Solid and the Presence of Negative Ions. Part 1. Structure of a Semiconductor Solid Doped with Arsenic and Indium. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 68 (6), 491–503 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2025-68-6-491-503Гречихин, Л. И. Теория биполярного транзистора с учетом строения твердого тела и наличия отрицательных ионов. Ч. 2: Формирование электрического тока смещения и вольт-амперной характеристики в биполярном транзисторе / Л. И. Гречихин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2026. Т. 69, № 1. С. 34–49. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2026-69-1-34-49Gretchikhin L. I. (2026) Theory of the Bipolar Transistor, Taking into Account the Structure of a Solid and the Presence of Negative Ions. Part 2. Structure of a Semiconductor Solid Doped with Arsenic and Indium. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 69 (1), 34–49 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2026-69-1-34-49Gretchihin, L. I. Formation of Emission in Diode Lasers with Evaporation of Various Impurities on the Main Semiconductor Crystal Having Affinity to Electron / L. I. Gretchihin // Aeronautics and Aerospace Open Access Journal. 2023. Vol. 7, No 1. P. 36–45. https://doi.org/10.15406/aaoaj.2023.07.00168Gretchihin L. I. (2023) Formation of Emission in Diode Lasers with Evaporation of Various Impurities on the Main Semiconductor Crystal Having Affinity to Electron. Aeronautics and Aerospace Open Access Journal, 7 (1), 36–45. https://doi.org/10.15406/aaoaj.2023.07.00168Гречихин, Л. И. Толстостенное покрытие в диоде Ганна для измерения мощности электромагнитного излучения СВЧ-диапазона / Л. И. Гречихин, Д. Ю. Олейник // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. № 8. С. 339–348. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2023-19-8-339-348Gretchikhin L. I., Oleinik D. Yu. (2023) Thick-Walled Coating in a Gann Diode for Measuring the Power of Microwave Electromagnetic Radiation. Uprochnyayushchie Technologii i Pokrytiya = Strengthening Technologies and Coatings, (8), 339–348. (in Russian). https://doi.org/10.36652/1813-1336-2023-19-8-339-348van Houselt, A. Colloquium: Time-Resolved Scanning Tunneling Microscopy / A. van Houselt, H. J. W. Zandvliet // Reviews of Modern Physics. 2010. Vol. 82, No 2. P. 1593–1605. https://doi.org/10.1103/revmodphys.82.1593van Houselt A., Zandvliet, H. J. W. (2010) Colloquium: Time-Resolved Scanning Tunneling Microscopy. Reviews of Modern Physics, 82 (2), 1593–1605. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1593Шмермбекк, Ю. Исследования поверхностного слоя кремния с напылением индия / Ю. Шмермбекк, Л. И. Гречихин. Берлин: Lambert. Akademic Publishing, 2015. 80 с.Shmermbekk Yu., Grechikhin L. I. (2015) Study of the Surface Layer of Silicon with Indium Deposition. Berlin, Lambert. Academic Publishing. 80 (in Russian).Гречихин, Л. И. Физика наночастиц и нанотехнологий: общие основы, механические, тепловые и эмиссионные свойства / Л. И. Гречихин. Минск: Технопринт, 2004. 399 с.Gretchikhin L. I. (2004) Physics of Nanoparticles and Nanotechnology. General Principles, Mechanical, Thermal and Emission Properties. Minsk, Tekhnoprint Publ. 399 (in Russian).Гречихин, Л. И. Наночастицы и нанотехнологии / Л. И. Гречихин. Минск: Право и экономика, 2008. 405 с.Grechikhin L. I. (2008) Nanoparticles and Nanotechnology. Minsk, Pravo i Ekonomika Publ. 56 (in Russian).Месяц, Г. А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга / Г. А. Месяц. М.: Наука, 2000. 424 с.Mesyats G. A. (2000) Ectons in a Vacuum Discharge: Breakdown, Spark, Arc. Moscow, Nauka Publ. 424 (in Russian).Гречихин, Л. И. Взаимодействие напыляемых частиц с поверхностью твердого тела / Л. И. Гречихин, Ю. Шмермбекк // Авиационный вестник. 2021. № 5. С. 21–28.Gretchikhin L., Shmermbekk J. (2021) Interaction of Sprayed Particles with Surface Solid Body. The Aviation Herald, (5), 21–28 (in Russian).Гречихин, Л. И. Методы введения примесей в металлы и полупроводниковые структуры для получения pи n-проводимости / Л. И. Гречихин // Авиационный вестник. 2025. № 12. С. 6–16.Grechikhin L. I. (2025) Methods of Introducing Impurities into Metals and Semiconductor Structures to Obtain pand n-Conductivity. The Aviation Herald, (12), 6-16 (in Russian).Гречихин, Л. И. Физика: электричество и магнетизм / Л. И. Гречихин. 2-е изд., доп. М.: Воениздат, 1980. 182 с.Gretchikhin L. (1980) Physics: Electricity and Magnetism. 2nd ed. Moscow, Voenizdat Publ. 182 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.