+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?

Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?

Только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?

Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но… проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире — дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош…» — и работы Панкова не поддержали.

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную 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 теплоотводом 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.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?

Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто — фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.

Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!

Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей — электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?

Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.

В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы — например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, — но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, — оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

27. Преимущества

Экономично…

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно…

Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно…

Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, — 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво…

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно…

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Подробное устройство и принцип работы светодиода

С момента открытия красного светодиода (1962 г.) развитие твердотельных источников света не останавливалось ни на миг. Каждое десятилетие отмечалось научными достижениями и открывало для ученых новые горизонты. В 1993 году, когда японским ученым удалось получить синий свет, а затем и белый, развитие светодиодов перешло на новый уровень. Перед физиками всего мира стала новая задача, суть которой заключалась в использовании светодиодного освещения в качестве основного.

В наше время можно сделать первые выводы, свидетельствующие об успехах становления светодиодного освещения и продолжающейся модернизации светодиода. На прилавках магазинов появились светильники со светодиодами, изготовленными по технологии COB, COG, SMD, filament.

Как устроен каждый из перечисленных видов, и какие физические процессы вынуждают полупроводниковый кристалл светиться?

Что такое светодиод?

Перед разбором устройства и принципа работы, кратко рассмотрим, что светодиод из себя представляет.

Светодиод – это полупроводниковый компонент с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании электрического тока в прямом направлении.

В отличие от нити накала и люминесцентных источников света, испускаемый свет светодиодом лежит в небольшом диапазоне спектра. То есть кристалл светоизлучающего диода испускает конкретный цвет (в случае со светодиодами видимого спектра). Для получения определенного спектра излучения в светодиодах используют специальный химический состав полупроводников и люминофора.

Устройство, конструкция и технологические отличия

Существует много признаков, по которым можно классифицировать светодиоды на группы. Одним из них является технологическое отличие и небольшое различие в устройстве, которое вызвано особенностью электрических параметров и будущей сферой применения светодиода.

DIP

Цилиндрический корпус из эпоксидной смолы с двумя выводами стал первым конструктивом для светоизлучающего кристалла. Закругленный цветной или прозрачный цилиндр служит линзой, формируя направленный пучок света. Выводы вставляются в отверстия печатной платы (DIP) и с помощью пайки обеспечивают электрический контакт.

Излучающий кристалл располагается на катоде, который имеет форму флажка, и соединяется с анодом тончайшим проводом. Существуют модели с двумя и тремя кристаллами разного цвета в одном корпусе с количеством выводов от двух до четырёх. Кроме этого, внутри корпуса может быть встроен микрочип, управляющий очередностью свечения кристаллов либо задающий чистоту его мигания.

Светодиоды в DIP корпусе относятся к слаботочным, используется в подсветке, системах индикации и гирляндах.

В попытках нарастить световой поток, появился аналог с усовершенствованным устройством в DIP корпусе с четырьмя выводами, известный как «пиранья». Однако увеличенная светоотдача нивелировалась размерами светодиода и сильным нагревом кристалла, что ограничило область применения «пираньи». А с появлением SMD технологии их производство практически прекратилось.

SMD

Полупроводниковые приборы с креплением на поверхность печатной платы коренным образом отличаются от предшественников. Их появление расширило возможности конструирования систем освещения, позволило снизить габариты светильника и полностью автоматизировать монтаж. Сегодня SMD-светодиод – это самый востребованный компонент, используемый для построения источников света любых форматов.

Основа корпуса, на которую крепится кристалл, является хорошим проводником тепла, что в разы улучшило отвод тепла от светоизлучающего кристалла. В устройстве белых светодиодов между полупроводником и линзой присутствует слой люминофора для задания нужной цветовой температуры и нейтрализации ультрафиолета. В SMD-компонентах с широким углом излучения линза отсутствует, а сам светодиод имеет форму параллелепипеда.

COB

Chip-On-Board – одно из новейших практических достижений, которое в ближайшем будущем займет лидерство по производству белых светодиодов в искусственном освещении. Отличительная черта устройства светодиодов по технологии COB заключается в следующем: на алюминиевую основу (подложку) через диэлектрический клей крепят десятки кристаллов без корпуса и подложки, а затем полученную матрицу покрывают общим слоем люминофора. В результате получается источник света с равномерным распределением светового потока, исключающий появление теней.

Разновидностью COB является Chip-On-Glass (COG), которая подразумевает размещение множества мелких кристаллов на поверхности из стекла. В частности, широко известны филаментные лампы на 220 В, в которых излучающим элементом служит стеклянный стержень со светодиодами, покрытыми люминофором.

Принцип работы светодиода

Несмотря на рассмотренные технологические особенности, работа всех светодиодов базируется на общем принципе действия излучающего элемента. Преобразование электрического тока в световой поток происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с разным типом проводимости. Материал с n­-проводимостью получают путем его легирования электронами, а материал с p-проводимостью – дырками. Таким образом, в сопредельных слоях создаются дополнительные носители заряда противоположной направленности.

В момент подачи прямого напряжения начинается движение электронов и дырок к p-n-переходу. Заряженные частицы преодолевают барьер и начинают рекомбинировать, в результате чего протекает электрический ток. Процесс рекомбинации дырки и электрона в зоне p-n-перехода сопровождается выделением энергии в виде фотона.

Вообще, данное физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Но в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра излучения. Чтобы заставить элементарную частицу двигаться в диапазоне 400-700 нм ученым пришлось провести немало экспериментов с подбором подходящих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и более сложные их формы, каждая из которых характеризуется своей длиной волны, а значит, и цветом излучения.

Кроме полезного света, испускаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется некоторое количество теплоты, которая снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому в конструкции мощных светодиодов должна быть продумана возможность реализации эффективного отвода тепла.

Светодиоды: принципы работы, виды, характеристики, области применения | LIGHT-RU.RU

Светодиоды различных цветов

Сегодняшний мир невозможно себе вообразить без электрического освещения. Огромные мегаполисы и самые отдаленные уголки земного шара освещаются всевозможными электрическими источниками искусственного света. Однако, непрерывное развитие технологий приводит к тому, что мастодонт электрического освещения — «лампочка Ильича» — уверенно уступает лидирующие позиции современным высокотехнологичным и высокоэкономичным источникам электрического света, среди которых, безусловно, безоговорочно лидируют светодиоды.

Содержание статьи

Что такое светодиод и история его изобретения

Принцип действия светодиода

Светодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий фотоны определенной частоты при пропускании через него электрического тока.

Часто термин «светодиод» заменяется англоязычной аббревиатурой LED от «led emitting diod» — светоизлучающий диод. Русскоязычный аналог данного словосочетания — СИД — используется значительно реже.

Эффект испускания фотонов достигается благодаря наличию в этих приборах электронно-дырочного перехода, рекомбинация электронов и дырок в котором сопровождается переходом электронов с одного энергетического уровня на другой, в результате чего избыток энергии высвобождается в виде свободного фотонного излучения.

Олег Лосев, советский ученый, изобретатель, один из праотцов светодиода

Впервые подобное явление было обнаружено в далеком 1907 году английским исследователем Генри Раундом. Позднее независимо от него советский ученый Олег Лосев в 1923 году также зафиксировал электролюминесценцию в точке контакта карбида кремния и стали под воздействием электрического тока и даже смог запатентовать своё изобретение под названием «Световое реле» в 1927 году. Но, как часто бывает, открытие не было должным образом оценено современниками и до победного шествия светодиодов оставались долгие десятилетия.

Технология создания инфракрасных светодиодов была освоена в США лишь в 1961 году, а первый реально применимый светодиод в видимом диапазоне спектра (красный) был создан в 1962 году Ником Холоньяком. Позднейшие исследования привели к созданию в 1971 году синего светодиода, а в 1972 году был создан первый жёлтый светодиод и были разработаны способы десятикратного увеличения яркости красных светодиодов.

Тем не менее, несмотря на очевидный прогресс в развитии светодиодной техники, светодиоды оставались чрезмерно дорогими вплоть до конца 60-х годов ХХ века. Их широкое промышленное производство и применение начинается лишь в 70-х годах ХХ века, а производство дешевых синих светодиодов началось лишь после 1990 года, когда японским ученым, получившим позднее за это Нобелевскую премию, удалось критически усовершенствовать технологию их создания.

Виды светодиодов в зависимости от химического состава полупроводников

Поскольку светодиоды являются полупроводниковыми приборами, то и материалы, используемые для их создания, являются традиционными для полупроводниковой техники. Самый распространенный, безусловно, галлий в химических соединениях с другими элементами. Широко применяются также индий, алюминий, кремний.

Использование разнообразных соединений дает возможность получать светодиоды, испускающие свет в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. А использование дополнительно нанесенных люминофоров и цветных пластиков еще больше расширяет цветовую палитру получаемого света.

Виды полупроводниковых материалов, используемых в светодиодах для получения излучения различного спектра
Цвет Длина волны, нм Падение напряжения, В Полупроводниковые материалы
Инфракрасный λ > 760 ΔU Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия галлия арсенид
(Aluminium gallium arsenide AlGaAs)
Красный 610 1,63 Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
(Aluminium gallium arsenide AlGaAs)
Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый 590 2,03 Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый 570 2,10 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Зеленый 500 1,9 Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Синий 450 2,48 Селенид цинка (ZnSe)
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата
Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
Фиолетовый 400 2,76 Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный Смесь нескольких спектров 2,48 Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый λ 3,1 Алмаз (235 нм)
Нитрид бора (215 нм)
Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)
Белый Широкий спектр ΔU ≈ 3,5 Синий/фиолетовый диод с люминофором

Типоразмеры SMD светодиодов

SMD — Surface Mount Device — электронные детали или устройства, монтируемые на поверхность (как правильно, на поверхность платы). Именно такой тип монтажа стал самым распространенным в мире электроники и, соответственно, самыми распространенным являются и SMD светодиоды, т.е. светодиоды, предназначенные для поверхностного монтажа. Иногда их называют чип-светодиодами, но такое название скорее редкость.

Существует несколько самых распространенных размеров SMD светодиодов. Как правило, разные производители придерживаются общепринятых стандартов, хотя, например, световой поток светодиодов одного типоразмера у разных изготовителей может отличаться.

SMD 3528

Светодиод SMD 3528

Светодиоды для поверхностного монтажа типоразмера 3528 являются, пожалуй, одним из наиболее распространенных вариантов. Они имеют прямоугольную форму со сторонами 3,5 и 2,8 миллиметра. Толщина составляет 1,4 мм. Для облегчения монтажа на корпусе светодиода со стороны катода делается срез угла, позволяющий однозначно определить правильное расположение элемента. Светоизлучающая поверхность сформирована в виде круга и, как правило, покрыта люминофором, отличающимся в зависимости от целей использования светодиода. Существенной особенностью данных светодиодных элементов является сильная зависимость их яркости от температуры. Так, при нагревании светодиода до 80 °C его яркость может упасть на 25% и более.

SMD 5050

Светодиод SMD 5050

Светодиоды SMD 5050 обладают квадратным корпусом размером 5,0 на 5,0 мм, внутри которого расположены три кристалла по своим характеристикам идентичных тем, которые устанавливаются в SMD 3528. Фактически SMD 5050 можно считать более совершенной версией светодиодов 3528. Возможность установки трёх кристаллов в один корпус позволяет создавать более мощные и яркие светодиоды, а наличие возможности независимого управления каждым кристаллом позволяет создавать многоцветные RGB светодиоды, способные излучать практически весь видимый человеческим глазом световой спектр.

SMD 5630

Светодиод SMD 5630

Появление нового типа светодиодов с габаритами корпуса 5,6 на 3,0 мм засвидетельствовало не только внешние изменения привычных размеров SMD, но и ознаменовало внесение в их конструкцию заметных улучшений, влияющих на существенные показатели их работы. Применение новых материалов и инженерных решений позволило увеличить мощность и светоотдачу светодиодов 5630 по сравнению с их более ранними собратьями.

Несмотря на наличие в SMD 5630 четырёх выводов используется всего два из них. Второй является отрицательным катодом, а четвертый положительным анодом. При этом ключ катода расположен возле первого вывода. Размещение чипов SMD 5630 на металлической подложке является хорошим тоном, так как способствует значительному улучшению отвода тепла из рабочей зоны и, соответственно, продлению срока службы высокотехнологичного устройства.

На следующем рисунке наглядно представлена разница между направлением светового потока и углами обзора у светодиодов 3528, 5050 и 5630. Невооруженным глазом заметен рост данных показателей с увеличением форм-фактора чип-светодиода.

Сравнительная характеристика направления и угла излучения светодиодов 3528, 5050 и 5630

SMD 5730

Светодиод SMD 5730

Братья-близнецы светодиодов 5630 — светодиоды SMD 5730 — появились на рынке практически одновременно со своими младшими соплеменниками и во многом являются их аналогами. Среди конструктивных отличий необходимо отметить, что светоизлучающие диоды 5,7 на 3,0 мм имею лишь два контакта, в отличие от светодиодов 5630. При этом они несколько выше (приблизительно на 0,5 мм). Также светодиоды 5730 подразделяются по потребляемой мощности на два класса: 0,5 Вт и 1 Вт, и часто обозначаются соответственно SMD 5730-05 и SMD 5730-1. Устройства обоих этих классов являются высокоэффективными светоизлучающими устройствами с низким тепловым сопротивлением кристалл/подложка около 4 °C, что значительно повышает энергоэффективность и долговечность оборудования на их базе.

Сравнительные характеристики чип-светодиодов SMD5730-05 и SMD5730-1
Параметр SMD Максимально допустимое значение Единица измерения
SMD5730-05 SMD5730-1
Прямой ток 180 350 mA
Импульсный прямой ток 400 800 mA
Рассеиваемая мощность 0.5 1.1 W
Температура перехода 130 130 °C
Рабочая температура — 40 / + 65 — 40 / + 65 °C
Температура хранения — 55 / + 100 — 55 / + 100 °C
Температура пайки 300°C в течении 2 сек. 300°C в течении 2 сек.

Как видно из приведенных данных, светодиоды 5730-1, имея вдвое большую рассеиваемую мощность, функционируют и при больших токах. Таким образом, при выборе между светодиодами 5730-05 и 5730-1 необходимо учитывать как условия отвода тепла в готовом изделии, так и электротехнические параметры работы светоизлучающего диода.

Сравнительная характеристика светодиодов различных типоразмеров
Параметр 3528 5050 5630 5730 (0,5 Вт) 5730 (1 Вт)
Световая отдача (Лм/Вт) 5 15 40 40 100
Мощность, Вт 0,06 0,2 0,5 0,5 1,0
Температура, °C +65 +65 +80 +80 +80
Ток, А 0,02 0,06 0,15 0,15 0,30
Напряжение, В 3,3 3,3 3,3 3,4 3,4
Размеры, мм 3,5 х 2,8 5,0 х 5,0 5,6 х 3,0 5,7 х 3,0 5,7 х 3,0

SMD 3014

Светодиод SMD 3014

Сравнительно недавно появившиеся светоизлучающие диоды форм-фактора 3,0 на 1,4 мм не только имеют существенно меньшие внешние размеры, чем более ранние SMD, но и обладают значительно более высокой энергетической эффективностью.

Данные светодиоды работают при максимальном токе 30 мА, что позволяет отнести их к слаботочным устройствам. Также при их монтаже необходимо учитывать, что контакты анода и катода не только выведены на боковые поверхности, но и уходят под нижнюю часть изделия. Целью данного изменения было увеличение теплоотвода от меньшего по размеру, но более мощного потребителя.

SMD 2835

Светодиод SMD 2835

Светодиоды SMD 2835 вобрали в себя, пожалуй, самые лучшие черты других LED SMD. Несмотря на то, что размеры светодиодов 2835 совпадают с размерами светодиодов 3528 (3,5 х 2,8 мм), SMD2835 имеют иную конструкцию светоизлучающей поверхности, выполненной в форме прямоугольника, что снижает неэффективные потери энергии и повышает оптические показатели, в частности, угол обзора.

Конструктивные особенности светодиодов 2835 (использование контактов анода и катода в качестве теплоотводящей подложки) сближает эти устройства с SMD3014, в которых реализован такой же принцип. По электротехническим же характеристикам наиболее близкими к SMD2835 являются SMD5730-05

Энергетическая эффективность различных светодиодов

Развитие LED технологий направлено в первую очередь на увеличение их энергоэффективности. Средние показатели световой отдачи для различных типов чип-светодиодов составляют следующие значения:

  • SMD 3528 — 70 лм/Вт
  • SMD 5050 — 80 лм/Вт
  • SMD 5630 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-05 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-1 — 100 лм/Вт

Из приведенных данных видно, что со сменой поколений светодиодов кардинального роста световой отдачи не произошло. В тоже время, если сравнить светодиоды SMD3528 и светодиоды SMD5730-1, то можно обнаружить, что световой поток вырос почти в 22 раза, в то время как потребление энергии возросло всего в 15 раз.

Подключение светодиодов в электрическую цепь

Обозначение светодиода на электрической схеме

Штатное функционирование светоизлучающих диодов возможно только при подаче на анод положительного потенциала, а на катод — отрицательного, т.е. при прохождении через него тока только в прямом направлении.

Поскольку p-n переход имеет резко возрастающую вольт-амперную характеристику, светодиод должен подключаться к источнику тока. При подключении светодиода к источнику напряжения должна предусматриваться установка ограничивающих ток элементов (например, резисторов). Роль таких элементов может выполнять сама электрическая цепь. Модели светодиодов некоторых производителей поставляются с уже встроенными токолимитирующими элементами. В таких случаях в техническом описании к светодиодам указываются максимальные и минимальные допустимые значения подаваемого на светоизлучающий диод напряжения.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода в светодиодах

Выход из строя светодиода может быть связан с подачей на его контакты напряжения, превышающего заявленные производителем пределы. В этом случае на светодиоде выделяется количество тепла, которое не может быть отведено теплоотводящими элементами, что приводит к перегреву SMD светодиода и его необратимому выходу из строя.

Токолимитирующая цепь для маломощных светодиодов (простейший вариант) может представлять собой элементарный резистор, включенный последовательно со светодиодом. В более сложных случаях, когда существует необходимость защиты мощных светодиодов, применяются схемы с широтно-импульсной модуляцией. Такой вариант позволяет решить сразу две задачи: во-первых, поддерживает среднее значение тока, идущего через светодиод на безопасном уровне и, во-вторых, позволяет диммировать светодиод, т.е. регулировать яркость его свечения.

Необходимо помнить, что при использовании источников питания с низким внутренним сопротивлением, не допускается подача на светодиод напряжения обратной полярности, т. к. у большинства светодиодов обратное пробивное напряжение составляет всего несколько вольт. В том случае, если светодиод используется в схеме, где есть вероятность появления обратного напряжения, светодиод следует защищать путём установки параллельно с ним обычного диода в обратной полярности.

Варианты защиты светодиодов от обратного напряжение (на примере подключения к сети переменного тока 220В)
Защита светодиодов от обратного напряжения диодом Встречно-параллельное подключение светодиода и диода Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

Преимущества светодиодов по сравнению с другими источниками света

Являясь качественно новыми источниками электромагнитного излучения, светодиоды обладают рядом существенных преимуществ перед своими предшественниками, что способствует их широкому перманентному внедрению в различных областях народно-хозяйственного комплекса.

Среди преимуществ светодиодов необходимо выделить следующие их качества и характеристики:

  • Отсутствие в LED светодиодах чувствительных к механическим воздействиям конструктивных элементов (таких, например, как нить накаливания) определяет их повышенную вибро- и механическую стойкость к неблагоприятным воздействиям во время изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.
  • Крайне эффективное преобразование светодиодами электрической энергии в световую определяет крайне высокий коэффициент их световой отдачи. Натриевые газоразрядные и металлогалогенные лампы, бывшие многие десятилетия бесспорными лидерами на рынке по показателю световой отдачи, в настоящее время утратили свои лидирующие позиции из-за появления не менее эффективных светоизлучающих диодов. Так, если показатель световой отдачи у натриевых газоразрядных ламп составляет около 150 лм на Вт потребляемой мощности, то у самых современных светодиодов он достиг 146 лм/Вт и продолжает повышаться вместе с развитием технологий и применением новых конструкторских решений.
  • Срок эксплуатации светодиодов составляет от 30 тыс. до 100 тыс. часов, что значительно превышает показатели источников света, изготовленных по другим технологиями. Недостатком светоизлучающих диодов является то, что при длительной эксплуатации и/или неэффективном отводе тепла их кристаллы подвержены так называемой деградации, приводящей к плавному снижению яркости излучения.
  • Существенным плюсом светодиодов является независимость длительности их службы от количества итераций включения-выключения. Этим они выгодно отличаются от других светоизлучающих устройств (например, газоразрядных ламп и ламп накаливания), чувствительных к количеству циклов включения-выключения.
  • Излучению светодиодов имманентно присуща спектральная чистота, в то время как в других устройствах она достигается за счет использование различных светофильтров. Спектрографический анализ излучения красного светодиода
  • Экологическая безопасность LED обусловлена тем, что в их производстве не используются опасные элементы и соединения (ртуть, фосфор, галогениды металлов). Также в спектре их излучения отсутствует ультрафиолет, что приводит к отсутствию необходимости создания защиты от него.
  • Светодиоды безопасны в эксплуатации, т.к. обычно они питаются относительно низкими напряжениями и, благодаря высокой светоотдаче, редко нагреваются выше 50-60 °C
  • Немаловажным фактором, способствующим широкому применению светодиодов, является отсутствие инерционности их включения: максимальная яркость излучения достигается сразу после включения, в то время как у энергосберегающих люминесцентных ламп время включения колеблется от 1 секунды до 1 минуты, а выход на стопроцентную яркость происходит в течение 3-10 минут после начала работы (в зависимости от температуры окружающей среды и особенностей лампы).
  • Практически нулевая чувствительность светодиодов к низким и ультранизким температурам позволяет использовать их вне помещений в странах с суровым климатом. В тоже время, как уже отмечалось, светодиоды (как и любые другие полупроводниковые приборы) чувствительны к высоким температурам. В связи с этим при монтаже LED устройств всегда необходимо уделять особое внимание наличию достаточного уровня отвода тепла.
  • Широкое варьирование угла излучения у различных видов светодиодов (от 15° до 180°) позволяет решать различные конструкторские и технологические задачи при создании устройств с их использованием.
  • Наличие широкого спектра белых светодиодов (белый теплый, белый дневной, белый холодный) дает возможность использовать различные их типы для решения различных задач в зависимости от конкретной ситуации и необходимости получения того или иного эффекта от освещения.
  • Относительно низкая стоимость светодиодов (особенно индикаторных).
  • Высокие показатели коэффициента цветопередачи CRI.

Применение светодиодов

Благодаря широкому спектру преимуществ, светодиодные источники излучения нашли применения в разнообразных областях. Основными направлениями использования LED являются:

  • Исторически первой областью применения светодиодов было приборостроение. Именно здесь светодиоды стали массово применяться в качестве устройств индикации. Индикаторами могут быть как одиночные LED (например, индикатор включения в сеть), так и собранные в различные табло (цифровые, цифро-буквенные).
  • В последние десятилетия стали широко использоваться так называемые светодиодные кластеры. По сути это массив светодиодов, находящихся под общим цифровым (как правило) управлением. Обывателю такие кластеры знакомы в виде бегущих строк, больших экранов, размещаемых на улицах городов.
  • Также светодиоды обеспечивают подсветку жидкокристаллических экранов мобильных устройств, телевизоров и мониторов персональных компьютеров и ноутбуков.
  • Мощные и сверхмощные светодиоды нашли своё применение в фонарях уличного освещения, а также в современных светофорах. Применение LED излучателей в светофорах крупных городов не только способствует оптимизации потребления электроэнергии, но и за счет высокой светоотдачи и цветопередачи способствует снижению аварийности на дорогах.
  • Повышению безопасности на дорогах способствует и внедрение принципиально новых элементов дорожной обстановки: дорожных знаков на основе светодиодов. Такие знаки прекрасно видны в любое время суток и практически в любую погоду.
  • В последние годы светодиоды получили широкое распространение в качестве основных источников промышленного и бытового освещения. Светильники на основе LED, а также светодиодные ленты уверенно вытесняют с рынка другие виды источников света. В первую очередь это происходит за счет лавинообразного снижения цен на светодиоды в последнее время, а также благодаря появлению множества локальных производителей достаточно качественной светодиодной продукции.
  • Использование LED технологий в растениеводстве позволяет создавать узкоспециализированные источники освещения (фитолампы) с особым спектром излучения, обеспечивающим максимальную эффективность процесса фотосинтеза в листьях сельскохозяйственных растений. Применение подобных приборов особенно перспективно на территориях с северным климатом.
  • Стремительное развитие информационных технологий также обуславливает значительный спрос на светодиодную продукцию. Использование LED в качестве легкодоступных источников модулированного электромагнитного излучения широко распространено при создании систем передачи информации по оптическим волокнам.
  • Заняли свою нишу светодиоды и в сфере дизайна в виде цветных светодиодных лент, гибких шнуров дюралайт, светодиодных гирлянд. С их помощью оформляются как интерьеры жилых помещений, так и архитектурные и арт-объекты, а также концертные и выставочные залы, бары, дискотеки, ночные клубы.
  • Дешевизна и чарующая привлекательность LED привела к их повсеместному использованию в игрушках, детских играх, различных USB-устройствах.
  • Менее известно, но от того не менее широко распространено использование светодиодов в оптронах, позволяющих создавать разнообразные детекторы наличия, дискретные спидометры, детекторы начала и конца, а также устройства передачи сигнала без передачи электрического напряжения. Устройство и обозначение оптрона (оптопары)

LIGHT-ru.RU — С НАМИ СВЕТЛЕЕ!

Устройство светодиода и принцип действия

Светодиод сокращённо (СД), светоизлучающий диод (СИД), light emitting diode сокращённо LED – это полупроводниковое устройство, которое способно создавать световое излучение различной интенсивности при подключении его в прямом направлении к электрическому току.

Светодиод: устройство.

Основа светодиода – полупроводниковый кристалл. Кристалл размещается на металлическое основание катод, который также является отражателем.

Кристалл соединяется тонкой проволокой с анодным выводом. Вся конструкция помещается в корпус колбу нужной формы, верхняя часть колбы состоит из рассеивающей или собирающей линзы. От формы линзы зависит угол рассеивания светового потока, чем более плоская линза, тем шире угол рассеивания и наоборот, чем выпуклей линза, тем уже световой поток.

Для изготовления кристалла светодиода могут, используются такие  полупроводниковые материалы как арсенид галлия, алюминия галлия арсенид, галлия фосфид, галлия арсенид-фосфид, кремний и пр.

В зависимости от материала, из которого сделан кристалл, светодиод может излучать заданный спектр свечения.

Все светодиоды можно поделить на два основных типа:

Индикаторные – маломощные светодиоды используются как индикаторы в различных приборах (см. рис. сверху).

Осветительные – более мощные светодиоды, используются в осветительных приборах.

Типы осветительных диодов:

  • SMD.
  • HP – высокой яркости.
  • HP – высокой мощности.

Устройство осветительного светодиода.

Светодиод: принцип действия.

Принцип действия светодиода основан на так называемом p-n (электронно-дырочном) переходе.

Светодиод включает в себя полупроводниковый p-n переход, где материал — n обогащён отрицательными носителями заряда (приобретают дополнительные электроны), а материал – p положительными носителями заряда (приобретают «дырки» места, где отсутствуют электроны на орбитах атомов).

Когда в диоде возникает электрическое поле, электроны из материала — n и дырки из материала – p, устремляются к p – n переходу, где электроны инжектируются в – p материал.

При подаче отрицательного напряжения со стороны – n проходит ток в материал – p (прямое смещение).

При переходе из – n в – p избыточные электроны рекомбинируют с «дырками» при этом выделяется энергия из элементарных частиц фотонов и светодиод испускает свечение.

Обозначение светодиода в электрических схемах.

Светодиод может работать только при пропускании через него тока в прямом направлении (анод положительный потенциал относительно катода).

Недопустимо подключение светодиода обратной полярностью к источнику напряжения, светодиоды обычно имеют невысокое обратное пробивное напряжение, поэтому если в схеме возможно обратное напряжение светодиод нужно дополнительно защитить параллельно подключённым обычным диодом.

Подключать светодиод к источнику напряжения можно только через ограничитель тока, например через последовательно подключённый резистор.

Некоторые диоды могут иметь встроенную в корпус токоограничивающую цепь.

Для мощных светодиодов также применяются схемы, с широтно импульсной модуляцией которые могут поддерживать среднее значение тока на заданном уровне.

При пропускании через светодиод тока превышающего предельно допустимые параметры, светодиод мгновенно перегревается и выходит из строя.

Преимущества применения светодиодов в качестве источников света.

Высокая светоотдача до 146 люмен на ватт.

Современные светодиоды имеют широкий спектр свечения от 2700 К (теплый белый) до 6500 К (холодный белый).

Низкая инерционность, светодиод включается сразу на полную яркость.

Угол излучения от 15 до 180 градусов.

Механическая прочность и вибростойкость.

Светодиоды не чувствительны к низким температурам.

Продолжительный срок службы светодиодов, некоторые светодиоды могут работать до 100000 часов.

На продолжительность службы светодиодов не влияет количество циклов включения-выключения, в отличие от газоразрядных ламп и ламп накаливания.

Экологичность – в отличие от люминесцентных ламп для производства светодиодов не используются опасные материалы, такие как ртуть и фосфор.

Недостатки светодиодов.

При недостаточном отводе тепла у мощных светодиодов происходит деградация и падение яркости кристалла.

Светодиоды чувствительны к перепадам напряжения, повышенное напряжение приводит к перегреву светодиода и сокращает срок его службы.

Применение светодиодов.

Современные мощные светодиоды применяются в промышленном и бытовом освещении, светодиоды используются в качестве источников света в лампах, фонарях, светильниках, светодиодных лентах.

Светодиоды применяются в подсветке жидкокристаллических экранов телевизоров, мониторов, мобильных телефонов.

Маломощные светодиоды применяются в качестве индикаторов для бытовых и промышленных приборов, используются в панелях управления и пр.

Поделиться в соц. сетях

Светодиоды. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Светодиоды для человечества стали одним из наиболее распространенных источников света для промышленных и бытовых нужд. Этот полупроводниковый прибор имеет один электрический переход, он преобразует электроэнергию в энергию видимого светового излучения. Явление открыто Генри Джозефом Раундом в 1907 году. Первые эксперименты были поставлены советским физиком-экспериментатором О.В. Лосевым, которому в 1929 году удалось получить рабочий прототип современного светодиода.

Первые современные светодиоды (СД, СИД, LED) были созданы в начале шестидесятых годов. У них было слабое красное свечение, их применяли в качестве индикаторов включения в самых разных приборах. В 90-х появились синие, желтые, зеленые и белые светодиоды. Их стали выпускать в промышленных масштабах многие компании. Сегодня LED-диоды применяются повсеместно: в светофорах, лампочках, автомобилях и т.д.

Устройство

Светодиод представляет полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который создает оптическое излучение при прохождении через него тока в прямом направлении.

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей:

 

1 — Эпоксидная линза
2 — Проволочный контакт
3 — Отражатель
4 — Полупроводник (Определяет цвет свечения)
5 и 6 — Электроды
7 — Плоский срез

В основании светодиода закрепляются катод и анод. Все устройство сверху герметично закрыто линзой. На катоде установлен кристалл. На контактах имеются проводники, которые подсоединены к кристаллу p-n-переходом (проволока соединения для объединения двух проводников с различными типами проводимости). Для создания стабильной работы светодиода применяется теплоотвод, который необходим для осветительных приборов. В индикаторных приборах тепло не имеет решающего значения.

DIP-диоды имеют выводы, которые монтируются в отверстия печатной платы, они при помощи пайки подсоединяются на электрический контакт. Имеются модели с несколькими кристаллами различного цвета в одном корпусе.

SMD-светодиоды сегодня являются наиболее востребованными источниками света любых форматов.

  • Основа корпуса, куда крепится кристалл, является отличным проводником тепла. Благодаря этому в разы улучшился отвод тепла от кристалла.
  • В структуре белых светодиодов между линзой и полупроводником имеется слой люминофора, который нейтрализует ультрафиолет и задает необходимую цветовую температуру.
  • В SMD-компонентах, имеющих широкий угол излучения, линза отсутствует. При этом сам светодиод выделяется формой параллелепипеда.
Chip-On-Board (COB) представляют новейшее практическое достижение, которое должно занять в искусственном освещении лидерство в создании белых светодиодов.

 

Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:
  • На алюминиевую основу посредством диэлектрического клея крепят десятки кристаллов без подложки и корпуса.
  • Полученная матрица покрывается общим слоем люминофора. В итоге получается источник света, который имеет равномерное распределение светового потока без возможности появления теней.

Разновидностью Chip-On-Board является Chip-On-Glass (COG) технология, предусматривающая размещение на поверхности из стекла множества мелких кристаллов. К примеру, это филаментные лампы, где излучающим элементом является стеклянный стержень со светодиодами, которые покрыты люминофором.

Принцип действия
Несмотря на технологические особенности и разновидности, работа всех светодиодов основывается на общем принципе функционирования излучающего элемента:
  • Преобразование электроэнергии в световой поток осуществляется в кристалле, который выполнен из полупроводников с самым разным типом проводимости.
  • Материал с n­-проводимостью обеспечивают путем легирования его электронами, а материал с p-проводимостью при помощи дырок. В результате в сопредельных слоях появляются дополнительные носители заряда разной направленности.
  • При подаче прямого напряжения стартует движение электронов, а также дырок к p-n-переходу.
  • Заряженные частицы проходят барьер и начинают рекомбинировать, вследствие этого протекает электрический ток.
  • Процесс рекомбинации электрона и дырки в зоне p-n-перехода идет выделением энергии в качестве фотона.

В целом, указанное физическое явление свойственно всем полупроводниковым диодам. Однако длина волны фотона в большинстве случаев располагается за пределами видимого спектра излучения. Чтобы элементарная частица двигалась в диапазоне 400-700 нм, ученые проводили множество опытов и экспериментов с разными химическими элементами. В итоге появились новые соединения: фосфид галлия, арсенид галлия и более сложные формы. У каждой из них своя длина волны, то есть свой цвет излучения.
К тому же, кроме полезного света, который испускает светодиод, на p-n-переходе образуется некоторое количество теплоты, которое уменьшает эффективность полупроводникового прибора. Именно поэтому в конструкции мощных светодиодов предусматривается эффективный отвод тепла.

Разновидности
На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:
  • Осветительные, то есть с большой мощностью. Их уровень освещенности равен вольфрамовым и люминесцентным источникам света.
  • Индикаторные – с небольшой мощностью, их применяют для подсветки в приборах.

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:
  • Двойные GaP (галлий, фосфор) – имеют зеленый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
  • Тройные AIGaAs (алюминий, мышьяк, галлий) – имеют желтый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
  • Тройные GaAsP (мышьяк, галлий, фосфор) – имеют красный и желто-зеленый свет в структуре видимого спектра.
По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:
  • DIP — устаревшая модель низкой мощности, их применяют для подсветки световых табло и игрушек.
  • «пиранья» или Superflux – аналоги DIP, но с четырьмя контактами. Они применяются для подсветки в автомобилях, меньше нагреваются и лучше крепятся.
  • SMD – самый распространенный тип, применяются во множестве источников света.
  • COB – это усовершенствованные светодиоды SMD.
Применение
Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:
  1. Освещение.
  2. С использованием прямого света.

Светодиод в освещении применяется для освещения объекта, пространства или поверхности, вместо того, чтобы быть непосредственно видимым. Это интерьерная подсветка, фонарики, освещение фасадов зданий, освещение в автомобилях, подсветка клавиш мобильных телефонов и дисплеев и так далее. Широкое применение LED-диоды находят в коммуникаторах и сотовых телефонах.

Прямой светодиодный свет применяется для передачи информации, к примеру, в полноцветных видео дисплеях, в которых LED-диоды формируют пиксели дисплея, а также в алфавитно-цифровых табло. Прямой свет также применяется сигнальных устройствах. К примеру, это индикаторы поворота и стоп-сигналы автомобилей, светофоры и знаки.

Будущее светодиодов

Ученые создают светодиоды нового поколения, к примеру, на основе нано-кристаллических тонких пленок из перовскита. Они дешевые, эффективные и долговечные. Исследователи надеются, что такие LED-диоды будут применяться вместо обычных экранов ноутбуков и смартфонов, в том числе в бытовом и уличном освещении.

Создаются и волоконные LED-диоды, которые предназначены для создания носимых дисплеев. Ученые считают, что создаваемый метод производства волоконных светодиодов позволит наладить массовый выпуск и сделать интеграцию носимой электроники в одежду и текстиль совершенно недорогой.

Типичные характеристики
Светодиоды характеризуются следующими параметрами:
  • Цветовая характеристика.
  • Длина волны.
  • Сила тока.
  • Напряжение (тип применяемого напряжения).
  • Яркость (интенсивность светового потока).

Светодиодная яркость пропорциональна протекающему через него току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость. Единицей силы света служит люмен на стерадиан, она также измеряется в милликанделах. Бывают яркие (20-50 мкд.), а также сверх яркие (20000 мкд. и более) LED-диоды белого свечения.

Величина падения напряжения – характеристика допустимых значений прямого и обратного включений. Если подача напряжений выше этих значений, то наблюдается электрический пробой.

Сила тока определяет яркость свечения. Сила тока осветительных элементов обычно равняется 20 мА, для индикаторных светодиодов она составляет 20-40 мА.

Цвет излучения светодиода зависит от активных веществ, внесенных в полупроводниковый материал.

Длина волны света определяется разностью энергий при переходе электронов на этапе рекомбинации. Она определяется легирующими примесями и исходным полупроводниковым материалом.

Достоинства и недостатки
Среди достоинств светодиодов можно отметить:
  • Малое потребление электроэнергии.
  • Долгий срок службы, измеряемый 30-100 тысячами часов.
  • Высокая светоотдача. Светодиоды дают 10-250250 люменов светового потока на ватт мощности.
  • Нет ядовитых паров ртути.
  • Широкое применение.
Недостатки:
  • Низкие характеристики у некачественных светодиодов, созданных неизвестными производителями.
  • Сравнительно высокая цена качественных светодиодов.
  • Необходимость качественных источников питания.
Похожие темы:

Светодиоды — принцип действия

Изобретены в шестидесятых, усовершенствованны в восьмидесятых, получили новый толчок развития в начале 21 века. Что мы о них знаем?

Интерес к светодиодам повышается быстрее, чем скорость их распространения. Производители и покупатели — все стремятся применить новинку. Дизайнеры уже предлагают множество вариантов интерьеров с использованием уникальных возможностей светодиодов. Тема применения новых энергосберегающих технологий у всех на слуху. Многие специалисты говорят, что за светодиодами будущее.

Известно, что светодиоды излучают уникальный по характеристикам свет. Но, кроме того, похоже, не менее интенсивно они излучают оптимизм по поводу своей роли в изменении дизайна интерьеров квартир, школ, торговых центров.

; Так что же такое светодиод? Если кратко, то это полупроводниковый прибор, непосредственно преобразующий электрическую энергию в свет. Вам может встретиться обозначение LED, что означает light emitting diode.

Светодиод представляет собой кристалл полупроводника на подложке. Кристалл находится в корпусе с контактами. Есть и оптическая система для смешивания цветов. Сегодня светодиодные лампы лишь отдалённо похожи на первые светодиоды, применявшиеся только как индикаторы работы аппаратуры. Помните неяркие красные огоньки? Конструкция современного мощного светодиода достаточно сложна.

В чём же достоинства светодиода? В нем, в отличие от обычной лампы накаливания или газоразрядной лампы низкого давления, называемой люминесцентной, электроэнергия преобразуется непосредственно в свет. Поэтому коэффициент полезного действия светодиода теоретически можно приблизить к 100 процентам. Ведь потери на нагрев незначительны и их можно ещё снизить при должном теплоотводе.

Светодиод излучает энергию, то есть свет в узкой части спектра. Ультрафиолетовые и инфракрасные составляющие, как правило, отсутствуют. Поэтому его цвет чистый, что не оставляют без внимания дизайнеры.

Светодиод или светодиодная лампа обладают высокой стойкостью к разрушению. Эта лампа исключительно надёжна. Срок службы светодиода достигает величины 100 тысяч часов, а у лампы накаливания срок работы ограничен 1 тысячей часов.

Наконец, светодиод полупроводниковый и, поэтому, низковольтный электроприбор. А сниженное напряжение безопасно для пользователей.

Существует проблема получения от светодиодов белого света. Её обычно решают одним из следующих способов.На одной поверхности плотно располагают красные, зеленые и голубые светодиоды. Оптическая система смешивает их излучения. И после линзы мы имеем смешанный, то есть белый свет.

Сущность другого способа получения белого света заключается в том, что на прозрачную излучающую поверхность светодиода, работающего в ультрафиолетовом диапазоне, напыляется три слоя люминофора. Слои под воздействием ультрафиолета излучают красный, голубой и зеленый свет. В сумме получаем белый свет.

И, наконец, на зелёный или желто-зелёный светодиод можно нанести люминофоры, излучающий в красном и синем спектре. Возможно и другое сочетание цвета светодиода и люминофоров, но в итоге цвет излучения лампы приближается к белому. Единичный светодиод, не скомпонованный в лампу — низковольтный прибор. Светодиод, используемый как индикатор, подключается на 2 вольта постоянного напряжения. При этом по светодиоду проходит ток до 50 мА (при прямом подключении). Светодиод, который работает в качестве осветительного прибора, подключается на такое же напряжение, но проходящий по нему ток гораздо выше — до 1А. В светодиодном модуле можно компоновать отдельные светодиоды параллельно, последовательно и использовать смешанные схемы. Как известно, при последовательном соединении напряжения при расчете эквивалентного, складываются. Поэтому эквивалентное напряжение модуля может быть 12 или 24 В.

Принцип работы светодиода

Светодиод или светодиодная лампа представляет собой электронное устройство размером с половину спички. Предназначен светодиод, как обычная электрическая лампочка, для освещения окружающего пространства в тёмное время суток и в недоступных для света местах. Как работает светодиод и по какому принципу он устроен, пойдёт речь дальше в этой статье.

По определению, электрический ток – это направленный поток электронов. Принцип работы светодиода заключается в том, что при пропускании через полупроводник прямого электрического тока, часть электронов выскакивает на p-n переходе из потока на одной пластине светодиода, сталкивается с электронами другой пластины, выбивает их со своих ячеек, вследствие чего образуются, говоря научным языком, «дырки». Из-за хаотичного движения электронов и их сталкивания друг с другом, выделяется энергия и появляется свечение.

Светодиод

В начале изобретения светодиода свечение было только синего цвета, но по мере того, как развивалась и совершенствовалась технология массового производства светодиодов, инженерам-электроникам удалось получить все имеющиеся цвета светового спектра. Важный принцип при использовании светодиодных ламп — это тот факт, что данное микроскопическое устройство освещает окружающее пространство намного лучше ламп накаливания, люминесцентных и галогенных ламп всеми цветами радуги без использования громоздких светофильтров и при этом светодиоды никогда не перегорают.

Почему светодиоды пользуются большим спросом в использовании их как осветительные приборы в местах с ограниченным пространством – всем понятно, поскольку другие источники света просто не пройдут по габаритам.

В этом их кардинальное отличие от электроламп накаливания, люминесцентных и газоразрядных ламп. При пропускании через светодиод электрического тока данный полупроводниковый прибор излучает некогерентное или «холодное» излучение. Для совершенствования работы светодиодных ламп применяют новейшие технологии получения полупроводников из наращивания кристаллов камня сапфира. При этих работах используются точнейшие способы резки камня и его шлифовки. Таким же способом подготавливаются пластины нитрида галлия. Внутрь помещают проводники для прохождения электрического тока и собирают устройство.

Светодиодная лампа

Работа светодиода не сопровождается ни шумом, ни выделением тепла. В наши дни научились изготавливать светодиодные лампы различной мощности, формы и цвета.

Конструкция и типаж светодиода постоянно улучшается. По мере развития технологий промышленного производства светодиодов, появления новых надёжных материалов и сплавов, их производство и внедрение в различные сферы потребления развивается и совершенствуется.

Преимущества светодиодов перед другими видами ламп очевидны и неоспоримы:

  1. Дают холодное свечение. Не нагревают имеющиеся рядом электроприборы.
  2. Имеют малые габариты, компактные и лёгкие. Не бьются при транспортировке и при падении с высоты. Не перегорают.
  3. Не нуждаются в использовании громоздких светофильтров и защитных колпаков. Могут работать и освещать улицы под дождём и под градом.
  4. Имеют красивый дизайн и малые габариты.
  5. Длительный период эксплуатации. Могут работать на протяжении 20 и более лет.
  6. Низкое энергопотребление – в 10 раз меньше обычной лампы накаливания.
  7. Экологически безвредны. Не имеют внутри газов и ртутных паров.
  8. Пожаро и взрывобезопасны.

Основной недостаток – высокая стоимость. Цена 1 люмена свечения светодиода в 10 раз выше ламп накаливания, почему светодиодные лампы не могут пока их вытеснить.

Своё применение светодиоды находят в самых широких областях промышленности. Многие самолёты ТУ-134 и ТУ-154 оснащены светодиодными устройствами, они устанавливаются на морских судах и подводных лодках. Особенно широко светодиоды используются на рекламных вывесках, баннерах, для праздничных иллюминаций, ночного освещения домов, подъездов. Недавно японская корпорация «Мазда» продемонстрировала свои разработки легкового автомобиля с задними фонарями, где использован принцип светодиода. Существуют светодиодные фары головного света для автомобилей, плафоны для паркового освещения, подсветки натяжных потолков в интерьерах квартир и домов. Принцип работы светодиодных ламп развивается, совершенствуется и в скором будущем данное устройство заменит привычную лампу накаливания и вытеснит её навсегда!

Светоизлучающий диод (LED) | Fiberlabs Inc

Дата: 8 марта, 2016 г. 更新 日 時: 2018 12 18 投稿 者: fiberlabsus_admin

1. Что такое светодиод?
LED — это аббревиатура от Light Emission Diode и представляет собой устройство, которое излучает свет, пропуская ток к p-n переходу, как полупроводниковый лазер (LD). Он излучает свет с различной длиной волны в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях, что соответствует его ширине запрещенной зоны. В частности, белые светодиоды обеспечивают длительный срок службы и низкое энергопотребление по сравнению с лампами накаливания и люминесцентными лампами, и поэтому в настоящее время все чаще используются для освещения.Белые светодиоды также используются для многих приложений в области освещения и отображения, включая ЖК-подсветку, используемую для сотовых телефонов, светофоров, дорожных знаков, наружных дисплеев и фонарей.

2. Принцип излучения светодиода
На рисунке 1 показан принцип излучения светодиода. Активный слой, зажатый между полупроводниками p- и n-типа, сформирован на сапфировой подложке, и напряжение подается через p-n переход от электродов. При приложении прямого напряжения электроны соединяются с дырками на p-n-переходе и исчезают.В это время электрон переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, и избыточная энергия выделяется в виде света.


Рис.1 Принцип излучения светодиода.

3. Что вызывает различия в цветах светодиодов?
Рисунок 2 объясняет, почему длины волн излучения разных полупроводниковых материалов различаются. Объединение дырок и электронов в p-n-переходе означает, что электроны попадают из зоны проводимости в валентную зону. Когда разница в энергии между обеими полосами больше, свет с большей энергией, т.е.е. излучается свет с более короткой длиной волны. Поскольку разность энергий (ширина запрещенной зоны) зависит от полупроводникового материала, материалы светодиодов выбираются на основе ширины запрещенной зоны, чтобы соответствовать желаемому цвету света.


Рис.2 Разница в цвете излучения полупроводникового материала.
(И синий, и зеленый свет излучаются InGaN, но соотношение In / Ga отличается.)

4. Механизм излучения белого светодиода
Есть три способа получить белый свет от светодиодов, как показано на рис.3.
(1) Первый — это способ облучения желтого люминофора с помощью синего светодиода. Поскольку желтый цвет является дополнительным к синему, смесь синего и желтого выглядит белой. Хотя этот метод наиболее популярен из-за простоты изготовления и высокой интенсивности, слабым местом является слегка голубоватый цвет.
(2) Второй — это способ излучения синего, зеленого и красного люминофора путем облучения ультрафиолетового светодиода. Хотя свет выглядит естественным и чистым белым, его интенсивность еще не такая сильная, как у метода (1).
(3) Третий — это способ использования трех светодиодов: синего, зеленого и красного. Поскольку свет интенсивный и можно получить любой цвет, этот метод применяется к большому дисплею и светодиодному экрану.


Рис.3 Механизм излучения белого светодиода.

5. Отличия светодиода от светодиода
Светодиод — это полупроводниковый светоизлучающий прибор, аналогичный светодиоду. Какая разница между двумя? На рисунке 4 показаны базовые конструкции светодиода и LD. Хотя принцип излучения тот же, электроны и дырки соединяются в p-n-переходе и излучается свет, свойства испускаемого света разные.Поскольку светодиодный свет имеет случайные фазы, он распространяется так же, как лампочки. С другой стороны, свет LD имеет определенную фазу, и поэтому он распространяется прямо, не распространяясь. Эта разница объясняется наличием или отсутствием резонатора. LD может выравнивать фазу света с помощью резонатора, но светодиод без резонатора выводит свет без изменений. Еще одно отличие — это потери связи в оптоволокне. Свет LD может быть направлен в оптическое волокно с низкими потерями связи, поскольку свет выходит из узкого активного слоя.Между тем, свет СИД не только слегка падает на волокно, потому что СИД имеет большую площадь излучения.


Рис.4 Базовые конструкции светодиода и светодиода.

Принцип работы светодиода — инженерные знания

Здравствуйте, ребята, надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим принцип работы светодиода . Полная форма светодиода — это светоизлучающий диод, который излучает свет при наличии входного питания.Это полупроводниковые приборы и, как и другие диоды, имеет PN переход. Излучаемый диодом свет зависит от энергии, необходимой для запрещенной зоны полупроводникового материала. Для излучения белого света используется более одного слоя полупроводникового материала, и может использоваться люминофор. Это было время, используемое для общих целей в 1962 году, но их интенсивность света была меньше, и они излучали инфракрасный свет.

Светодиоды, излучающие инфракрасный свет, используются в схемах дистанционного управления, например в пульте дистанционного управления ЖК-дисплея и т. Д.Используемые в настоящее время светодиоды излучают свет ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов. Старые типы светодиодов использовались в различных небольших лампах накаливания, индикаторных лампах и 7-сегментных дисплеях. В настоящее время в зданиях и помещениях для освещения используются светодиоды высокой интенсивности. У светодиодов есть многочисленные преимущества перед лампами накаливания, такие как меньшее энергопотребление, более длительный срок службы, меньшие габариты и т. Д. Диоды используются в светофорах, камерах, различных медицинских инструментах. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, приложения и некоторые другие связанные параметры.Итак, давайте начнем с принципа работы светодиода .

Принцип работы светодиода
  • LED обозначает светоизлучающий диод, а на рисунке ниже вы можете увидеть символ светодиода.
  • Работа светодиода очень проста, когда светодиод находится в условиях прямого смещения, электроны, существующие на N-стороне диода, пересекают PN-переход и входят в P-область вместе с отверстиями, существующими в этой области, и излучают свет.
  • Как мы обсуждали в уроке об атоме, есть две основные энергетические зоны, первая — это зона проводимости с большим количеством электронов, в данном случае это N-область.
  • Секунда — это полоса, которая является P-областью диода и имеет в ней отверстия. Поэтому, когда электроны перемещаются из зоны высокой проводимости в зону валанса или объединяются с дырками, высвобождает энергию в виде света.
  • Тип излучаемого света зависит от типа запрещенной зоны и других связанных параметров.
  • Большая видимая область на одном листе полупроводникового вещества позволяет фотонам испускаться в виде видимого света.
  • Эта процедура известна как электролюминесценция и описана на рисунке ниже.
  • Для поддержания длины волны излучаемого света в процессе добавляются многочисленные материалы. Цвет видимого света зависит от излучаемой длины волны.
  • Есть некоторые светодиоды, которые излучают свет, который не встречается в спектре видимого света, но их длина волны длиннее и выходит в инфракрасной области спектра.

Светодиодные полупроводниковые материалы
  • В более старых моделях использовался светоизлучающий диод GaAs, который испускает инфракрасное излучение, которое невидимо.
  • Для производства первого светодиода видимого диапазона, излучающего видимый свет, на подложке GaAs используется арсенид-фосфид (GaAsP) галлия.
  • Для увеличения яркости этого светодиода из фосфида галлия (GaP), используемого в качестве подложки, в результате были созданы красные светодиоды большой интенсивности и светодиоды оранжевого цвета.
  • Для бледно-зеленого света использовался GaP для излучения света.
  • Для излучения желтого света в светодиодах использовались микросхемы красного и зеленого цвета.
  • Впервые были созданы сверхяркие красные, желтые, зеленые и светодиоды с использованием фосфида арсенида галлия и алюминия.
  • В начале 90-х сверхяркие светодиоды, созданные с использованием InGaAlP, излучают оранжевый, красный и зеленый цвета.
Смещение светодиода
  • Напряжение, необходимое для прямого смещения светодиода, больше, чем напряжение на диоде, созданном из силикона.
  • Обычно прямое смещение для светодиода составляет от 1,2 до 3,2 вольт в зависимости от используемого материала.
  • Напряжение обратного смещения светодиода меньше, чем у диода, используемого для выпрямительных цепей, обычно от 3 до 10 вольт.
  • Излучаемый свет зависит от тока, используемого для прямого смещения светодиода. Вы можете видеть на схеме, обозначенной как (a).
  • График на рисунке показывает, что излучаемый свет прямо пропорционален току, необходимому для прямого смещения диода.
  • Приращение I F увеличивает свет, излучаемый светодиодом.
  • Интенсивность света также зависит от температуры. На рисунке видно, что интенсивность жизни уменьшается с увеличением температуры.

Светодиодное излучение
  • Светодиод, излучающий свет в определенном диапазоне длин волн, как показано на рисунке через спектральную кривую.
  • Кривая на графике (a) объясняет связь излучаемого света с длиной волны соответствующих видимых светодиодов.
  • График (б) для инфракрасного светодиода. Единица измерения длины волны (нм).
  • Стандартизированные излучаемые пики видимого красного светодиода составляют 660 (нм), длина волны желтого пика составляет 590 нм, зеленого — 540 нм, а синего — 460 нм.Инфракрасный светодиод имеет длину 490 нм.

  • Диаграмма излучения для светодиодов небольшого размера показана на рисунке ниже.
  • Излучаемый свет светодиодов имеет направление, в отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп.
  • Диаграмма излучаемого излучения находится под углом 90 градусов к поверхности, с которой излучаются.
  • Это можно сделать за счет использования линзы, изменения формы излучающей поверхности и использования диффузионных пленок в заданном направлении.
  • Указанная диаграмма направленности имеет множество преимуществ для различных приложений, таких как сигнал светофора, где свет должен быть виден только определенным водителям.
  • На рисунке, обозначенном как (a) показан шаблон для светодиода в прямом направлении.
  • Используется в индикации панелей.
  • На рисунке, обозначенном как (b) , показан узор для более широкого угла обзора, используемый в многочисленных сверхъярких светодиодах.
  • С помощью этих двух шаблонов можно создать множество шаблонов длин волн светодиодов.

  • Малогабаритный светодиод, используемый в различных индикаторах, показан на рисунке ниже. С маленькими светодиодами, используемыми в индикаторах, светодиоды большого размера используются для освещения из-за их большой эффективности и долговечности.
  • Обычный светодиод может давать от пятидесяти до шестидесяти люмен на ватт, что почти в пять раз больше, чем у обычной лампы накаливания.
  • Различные конфигурации светодиодов показаны на рисунке ниже.

LED Лист данных
  • Техническое описание инфракрасного светодиода TSMF1000 показано на рисунке ниже. Вы можете видеть, что значение максимального напряжения для обратного смещения составляет всего пять вольт, экстремальный ток для прямого смещения составляет сто миллиампер, а падение напряжения для прямого смещения составляет почти 1,3 вольта при значении тока прямого смещения в двадцать миллиампер.
  • На графике, обозначенном как (c), , вы можете заметить, что пиковая выходная мощность для этого диода выходит на длине волны 870 нанометров, а его диаграмма направленности показана на рисунке, обозначенном (d).

Светодиодные приложения

Семисегментный дисплей

  • Обычные светоизлучающие диоды используются в различных индикаторных лампах, отображающих различные варианты устройств, от бытовых приборов до приборов, используемых в исследовательских целях.
  • Обычное устройство, использующее светодиоды, — это 7-сегментный дисплей. Расположение светодиодов для 10 десятичных разрядов показано на рисунке ниже.
  • Путем прямого смещения определенной комбинации светодиодов мы можем получить каждую десятичную цифру и десятичную точку.
  • На соответствующем рисунке 2 показана категория конфигурации схем светодиодов, первый — это общий анод, а второй — общий катод.

  • Обычно светодиодное инфракрасное излучение используется для телевидения, DVD, доводчика и т. Д.
  • Инфракрасный луч проходит через ИК-светодиод и обнаруживается приемником, установленным в телевизоре.
  • Например, для каждой кнопки пульта ДУ Телевидения есть специальный код,
  • При нажатии любой кнопки на пульте дистанционного управления для смены канала вырабатывается специальный кодированный электрический сигнал, который направляется на светодиод, который трансформируется в кодированный ИК-световой сигнал.
  • Приемник, установленный в телевизоре, считывает сигнал кода и выполняет связанную задачу, которую вы отправляете на телевизор, либо изменение канала, либо уровень громкости.
  • Эта особая конструкция используется для подсчета бейсбольных мячей, когда они подаются по желобу в коробку для доставки.
  • Когда каждый шар движется по желобу, инфракрасный луч, испускаемый светодиодом, нарушается.
  • Это воспринимается фотодиодом, а результирующее изменение тока обнаруживается схемой считывания.
  • Электронная схема считает каждый раз, когда инфракрасный луч нарушается, определенное количество шариков перемещается по желобу, срабатывает техника остановки, чтобы остановить движение шариков, пока следующий незаполненный ящик самопроизвольно не переместится на место на конвейере.
  • Этот метод используется для подсчета и контроля упаковки для многих других типов вещей.
Светодиоды высокой яркости
  • Светодиоды, которые генерируют большую мощность, чем обычные светодиоды, используются во многих приложениях, таких как светофоры, автомобильные фары, внутренние и наружные огни, рекламные вывески и т. Д.

Светодиод, используемый в светофорах

  • Использование ламп накаливания в светофорах заменено на светодиоды. Светодиоды небольшого размера используются в виде массива для получения красных, зеленых и желтых огней.
  • У светодиодов есть 2 преимущества перед лампами накаливания. Во-первых, светодиоды ярче, срок службы дольше и потребляет меньше энергии, почти на 90 процентов меньше, чем лампы накаливания.
  • Светодиодные светофоры
  • собраны в массивы с линзами, которые увеличивают и направляют излучаемый свет.
  • На рисунке ниже показана работа светофорной решетки с использованием красного светодиода.
  • Для пояснения показана сравнительно меньшая плотность светодиодов.
  • Количество светодиодов и расстояние между ними при использовании в светофоре зависит от диаметра устройства, категории линз, цвета и интенсивности излучаемого света.
  • При использовании светодиода подходящей плотности и линзы восемь или двенадцать дюймов светофора будут выглядеть как сплошная сфера.
  • Есть параллельная и последовательная комбинация светодиодов в матрице, используемой в светофорах. Комбинация серий некоторое время не используется, как если бы один светодиод был поврежден или все остальные погасли.
  • С преимуществом параллельной комбинации, она имеет недостаток, заключающийся в том, что ей требуется сопротивление, что делает ее дорогостоящей.
  • Чтобы свести к минимуму использование ограничителей сопротивлений, используется последовательная и параллельная комбинация светодиодов, как показано на рисунке ниже.

  • Для максимального эффекта излучаемого света некоторые линзы, используемые в светофорах, имеют отражатели небольшого размера.
  • Оптическая линза также используется для покрытия передней стороны матрицы, чтобы обеспечить правильное направление света, излучаемого диодом. Этот объектив также сводит к минимуму несоответствующее рассеивание света.
  • На приведенном ниже рисунке поясняется использование линзы для обеспечения правильного направления света на наблюдателя.

  • Определенная компоновка схемы светодиода зависит от приложенного напряжения и цвета светодиода.
  • Предусмотрено другое значение напряжения для получения разных цветов светодиода.Для красного светодиода требуется меньшее напряжение, и если мы перейдем от красного к синему цвету в спектре, необходимое напряжение для цветов увеличится.
  • Обычно для красного светодиода требуется два вольта, для синего светодиода — от трех до четырех вольт.
  • Обычно светодиоды требуют тока от двадцати до тридцати миллиампер, независимо от требуемого напряжения.
  • На рисунке ниже показана общая кривая V-I для красного, желтого, зеленого и синего цветов.

Светодиодные дисплеи

  • В наружных и внутренних вывесках, досках объявлений и в больших телевизорах используются светодиоды. Эти вывески могут иметь один или несколько цветов или полноцветные.
  • Полноцветные экраны имеют небольшие группы ярких зеленых, красных и синих светоизлучающих дидо для создания пикселей.
  • Обычный экран состоит из тысяч красно-зеленых и синих или цветных пикселей RGB.
  • Сине-зеленый и красный являются основными цветами при слиянии друг с другом в различной концентрации, чем можно использовать для создания любого цвета, существующего в видимом диапазоне.
  • На рисунке ниже показан основной пиксель, созданный с использованием 3-х светодиодов.
  • Светоотдача каждого из 3 диодов может быть изменена автономно путем изменения величины прямого тока.

Похожие сообщения

Итак, друзья, это полный пост о принципе работы светодиода. Я объяснил каждый параметр, связанный с принципом работы светодиода. Если у вас есть вопросы по принципу работы светодиода, задавайте их в комментариях.Увидимся в следующем посте, хорошего дня.

Автор: Генри
http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

сообщение навигации

Что такое светоизлучающий диод (LED)? — Определение, работа, конструкция и преимущества

Определение: Светодиод представляет собой диод с PN-переходом, который излучает свет, когда через него проходит электрический ток в прямом направлении. В светодиоде происходит рекомбинация носителей заряда. Электрон с N-стороны и дырка со стороны P объединяются и дают энергию в виде тепла и света. Светодиод изготовлен из бесцветного полупроводникового материала, и свет излучается через переход диода.

Светодиоды широко используются в сегментных и матричных дисплеях с числовыми и буквенно-цифровыми символами. Несколько светодиодов используются для создания одного линейного сегмента, в то время как для создания десятичной точки используется одиночный светодиод.

Конструкция светодиода

Рекомбинация носителей заряда происходит в материале P-типа, и, следовательно, P-материал является поверхностью светодиода. Для максимального излучения света анод осаждается на краю материала P-типа. Катод изготовлен из золотой пленки и обычно размещается внизу N-области.Этот золотой слой катода помогает отражать свет на поверхность.

Фосфид арсенида галлия используется для производства светодиодов, излучающих красный или желтый свет. Светодиоды также доступны в зеленом, желто-янтарном и красном цветах.

Простой транзистор можно использовать для включения / выключения светодиода, как показано на рисунке выше. Базовый ток I B проводит транзистор, а транзистор — сильно. Сопротивление R C ограничивает ток светодиода.

Работа светодиода

Работа светодиода зависит от квантовой теории. Квантовая теория утверждает, что когда энергия электронов уменьшается с более высокого уровня на более низкий уровень, он излучает энергию в виде фотонов. Энергия фотонов равна промежутку между верхним и нижним уровнями.

Светодиод подключен в прямом смещении, что позволяет току течь в прямом направлении. Течение тока происходит из-за движения электронов в противоположном направлении.Рекомбинация показывает, что электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и излучают электромагнитную энергию в виде фотонов. Энергия фотонов равна щели между валентной зоной и зоной проводимости.

Преимущества светодиодов в электронных дисплеях

Ниже приведены основные преимущества светодиодов в электронных дисплеях.

  1. Светодиоды меньше по размеру, и их можно сложить вместе, чтобы сформировать числовой и буквенно-цифровой дисплей в матрице высокой плотности.
  2. Интенсивность светового потока светодиода зависит от протекающего через него тока. Интенсивность их света можно плавно регулировать.
  3. Доступны светодиоды, которые излучают свет разных цветов, таких как красный, желтый, зеленый и янтарный.
  4. Время включения и выключения или время переключения светодиода менее 1 наносекунды. Из-за этого светодиоды используются для динамической работы.
  5. Светодиоды очень экономичны и обладают высокой степенью надежности, поскольку производятся по той же технологии, что и транзисторы.
  6. Светодиоды работают в широком диапазоне температур, например, от 0 ° до 70 °. Кроме того, он очень прочный и выдерживает удары и колебания.
  7. Светодиоды обладают высоким КПД, но для работы им требуется умеренная мощность. Обычно для полной яркости требуется напряжение 1,2 В и ток 20 мА. Поэтому он используется там, где меньше энергии.

Недостатки светодиода

Светодиоды потребляют больше энергии по сравнению с ЖК-дисплеями, и их стоимость высока.Также он не используется для создания большого дисплея.

Как работает светодиод »Электроника

Используемые полупроводниковые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работают светодиоды.


Light Emitting Diode Tutorial Включает:
LED Как работает светодиод Как делается светодиод Технические характеристики светодиодов Срок службы светодиода Светодиодные пакеты Светодиоды высокой мощности / яркости Светодиодное освещение Органические светодиоды, OLED

Другие диоды: Типы диодов


Светодиодная технология считается само собой разумеющимся, поскольку светодиоды широко используются.Однако используемые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.

Хотя основной PN переход использовался в течение многих лет, только в 1962 году был разработан светодиод, и его действие стало понятным.

Светодиод, символ цепи светодиода

Светодиодная технология: принцип работы светодиода

Светодиод — это специализированная форма PN-перехода, в которой используется составной переход. Полупроводниковый материал, используемый для перехода, должен быть составным полупроводником.Обычно используемые полупроводниковые материалы, включая кремний и германий, представляют собой простые элементы, и переходы, сделанные из этих материалов, не излучают свет. Вместо этого составные полупроводники, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, являются составными полупроводниками, и переходы, сделанные из этих материалов, действительно излучают свет.

Эти сложные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Что касается арсенида галлия, галлий имеет валентность три, а мышьяк — пять, и это то, что называется полупроводником группы III-V, и есть ряд других полупроводников, которые подходят к этой категории.Также возможны полупроводники, изготовленные из материалов III-V групп.

Как работает светоизлучающий диод

Светоизлучающий диод излучает свет при прямом смещении. Когда к переходу прикладывается напряжение, чтобы сделать его смещенным в прямом направлении, течет ток, как в случае любого PN перехода. Дырки из области p-типа и электроны из области n-типа входят в переход и рекомбинируют, как обычный диод, чтобы позволить току течь. Когда это происходит, высвобождается энергия, часть которой находится в форме световых фотонов.

Обнаружено, что большая часть света излучается из области перехода, более близкой к области P-типа. В результате конструкция диодов сделана так, чтобы эта область сохранялась как можно ближе к поверхности устройства, чтобы гарантировать, что минимальное количество света поглощается структурой.

Для получения видимого света необходимо оптимизировать стык и выбрать правильные материалы. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра.Чтобы довести световое излучение до видимого красного конца спектра, к полупроводнику добавляют алюминий, чтобы получить арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Также можно добавить фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются другие материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия, индия и галлия используется для желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основано на полупроводниках галлия.

Светодиодные материалы и цвета света

Длина волны
Диапазон (нм)
Цвет В F при 20 мА Материал
<400 Ультрафиолет 3.1 — 4,4 Нитрид алюминия (AlN)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN)
400–450 фиолетовый 2,8 — 4,0 Нитрид индия-галлия (InGaN)
450–500 Синий 2,5 — 3,7 Нитрид индия-галлия (InGaN)
Карбид кремния (SiC)
500–570 зеленый 1.9 — 4,0 Фосфид галлия (GaP)
Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)
Фосфид алюминия-галлия (AlGaP)
570–590 желтый 2,1 — 2,2 Фосфид арсенида галлия (GaAsP)
Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)
Фосфид галлия (GaP)
590–610 оранжевый / янтарный 2,0 — 2,1 Фосфид арсенида галлия (GaAsP)
Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaUInP)
Фосфид галлия (GaP)
610–760 Красный 1.6 — 2,0 Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs)
Фосфид арсенида галлия (GaAsP)
Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)
Фосфид галлия (GaP)
> 760 Инфракрасный <1,9 Арсенид галлия (GaAs)
Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs)

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Светоизлучающий диод (LED) — работа, конструкция и символ

Что такое свет?

Перед тем, как войти как работает светодиод, давайте сначала кратко рассмотрим сам свет. С древних времен человек получал свет от различных источники, такие как солнечные лучи, свечи и лампы.

В 1879 г., Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания.В свете лампочка, через нить накала внутри лампочка.

Когда достаточно ток проходит через нить накала, она нагревается и излучает свет. Свет, излучаемый нитью, является результатом электрической энергии преобразуется в тепловую энергию, которая, в свою очередь, превращается в световую энергию.

В отличие от света лампочка, в которой электрическая энергия сначала преобразуется в тепло энергия, электрическая энергия также может быть напрямую преобразована в световую энергию.

в светоизлучающем Диоды (светодиоды), через них протекает электрическая энергия. непосредственно преобразуется в световую энергию.

Light — это разновидность энергия, которую может высвободить атом. Свет состоит из множества мелких частиц, называемых фотонами. Фотоны обладают энергией и импульс, но не масса.

Атомы являются основными строительные блоки материи.Каждый объект во вселенной состоит из атомов. Атомы состоят из мелких частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны.

электронов отрицательно заряжены, протоны заряжены положительно, и нейтроны не имеют заряда.

Привлекательный сила между протонами и нейтронами заставляет их слипаться вместе, чтобы сформировать ядро.У нейтронов нет заряда. Следовательно общий заряд ядра положительный.

Отрицательно заряженные электроны всегда вращаются вокруг положительно заряженных ядро из-за электростатической силы притяжения между ними. Электроны вращаются вокруг ядра в разные орбиты или оболочки. Каждая орбита имеет разную энергию уровень.

Например, электроны, вращающиеся очень близко к ядру, имеют низкую энергию в то время как электроны, движущиеся дальше по орбите от ядра обладают высокой энергией.

Электроны в нижнему энергетическому уровню требуется дополнительная энергия для прыжка на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия может быть поставляется внешним источником.Когда электроны вращаются вокруг ядро получает энергию из внешнего источника, в которое они прыгают выше орбита или более высокий уровень энергии.

Электроны в более высокий уровень энергии не сохраняется надолго. После В течение короткого периода электроны возвращаются на более низкий энергетический уровень. Электроны, которые прыгают с более высокого уровня энергии на более низкий уровень энергии высвобождает энергию в виде фотона или свет.В некоторых материалах эта потеря энергии высвобождается в основном в виде тепла. Электрон, теряющий большую энергию будет выпускать фотон с большей энергией.

Что такое свет Излучающий диод (светодиод)?

Светоизлучающий Диоды (светодиоды) — наиболее широко используемые полупроводники. диоды среди всех различных типов полупроводников диоды в наличии уже сегодня.Светодиоды излучают видимые свет или невидимый инфракрасный светится при смещении вперед. Светодиоды, излучающие невидимые инфракрасный свет используется для дистанционного управления.

А светоизлучающий Диод (LED) — это оптическое полупроводниковое устройство, излучающее свет при напряжении применены. Другими словами, светодиод — это оптический полупроводниковое устройство, преобразующее электрическую энергию в Световая энергия.

Когда светится Диод (LED) с прямым смещением, свободный электроны в зоне проводимости рекомбинируют с дырками в валентная зона и высвобождает энергию в виде света.

Процесс излучающий свет в ответ на сильный электрический поле или поток электрического ток называется электролюминесценцией.

Нормальный диод p-n перехода пропускает электрический ток только в одном направлении.Это позволяет электрический ток при прямом смещении и не позволяет электрический ток при обратном смещении. Таким образом, нормальный p-n переходной диод работает только в режиме прямого смещения.

вроде нормальный п-н переходные диоды, светодиоды тоже работают только в прямом смещении условие. Для создания светодиода материал n-типа должен быть подключен к минусовой клемме АКБ и р-типа материал должен быть подключен к положительной клемме аккумулятор.Другими словами, материал n-типа должен быть отрицательно заряжен, и материал p-типа должен быть положительно заряженный.

Строительство Светодиод похож на обычный диод с p-n переходом, за исключением того, что галлий, фосфор и мышьяк используются для конструкция вместо кремниевых или германиевых материалов.

В нормальном п-п переходные диоды, кремний наиболее широко используется, потому что он менее чувствителен к температуре.Кроме того, это позволяет электрическое ток эффективно без каких-либо повреждений. В некоторых случаях, германий используется для создания диодов.

Однако кремний или германиевые диоды не излучают энергию в виде света. Вместо этого они излучают энергию в виде тепла. Таким образом, кремний или германий не используется для изготовления светодиодов.

Слои светодиода

Светоизлучающий Диод (LED) состоит из трех слоев: p-типа полупроводник Полупроводник n-типа и обедненный слой.Р-тип полупроводник и полупроводник n-типа разделены область истощения или истощающий слой.

Полупроводник P-типа

Когда трехвалентный примеси добавляются к собственному или чистому полупроводнику, Формируется полупроводник p-типа.

в р-типе полупроводник, дырки являются основными носителями заряда и свободными электроны являются неосновными носителями заряда.Таким образом, дыры несут большая часть электрического тока в полупроводнике p-типа.

Полупроводник N-типа

Когда пятивалентный примеси добавляются к собственному полупроводнику, n-тип полупроводник.

In n-типа полупроводник, свободные электроны являются основными носителями заряда а дырки — неосновные носители заряда.Таким образом, бесплатно электроны переносят большую часть электрического тока в n-типе полупроводник.

Слой или область истощения

Область истощения область между полупроводниками p-типа и n-типа где отсутствуют подвижные носители заряда (свободные электроны и дырки). настоящее время. Эта область действует как барьер для электрического тока. Он противодействует потоку электронов из полупроводника n-типа и истечение дырок из полупроводника p-типа.

Для преодоления барьер обедненного слоя, нам нужно приложить напряжение, которое больше, чем барьерный потенциал обедненного слоя.

Если применяется напряжение больше, чем барьерный потенциал обеднения слой, электрический ток начинает течь.

Как свет Излучающий диод (светодиод) работает?

Светоизлучающий Диод (LED) работает только в режиме прямого смещения.Когда свет Излучающий диод (LED) смещен в прямом направлении, свободные электроны с n-стороны, а отверстия со стороны p сдвинуты к соединение.

Когда свободные электроны достигают стыка или области истощения, некоторые из свободных электроны рекомбинируют с дырками в положительных ионах. Мы знать, что положительные ионы имеют меньше электронов, чем протоны.Следовательно, они готовы принимать электроны. Таким образом, свободные электроны рекомбинируют с дырками в обедненной области. Аналогичным образом дырки с p-стороны рекомбинируют с электронами. в области истощения.

Из-за рекомбинация свободных электронов и дырок в обеднении регион, ширина области истощения уменьшается. В результате больше заряда перевозчики пересекут р-н соединение.

Часть заряда носители со стороны p и n будут пересекать p-n переход прежде, чем они рекомбинируют в области истощения. Например, некоторые свободные электроны из полупроводника n-типа пересекают p-n переход и рекомбинирует с дырками в полупроводнике p-типа. В аналогичным образом дырки из полупроводника p-типа пересекают p-n переход и рекомбинирует со свободными электронами в n-типе полупроводник.

Таким образом, рекомбинация имеет место как в области истощения, так и в p-типе и Полупроводник n-типа.

Свободные электроны в зоне проводимости выделяет энергию в виде света прежде, чем они рекомбинируют с дырками в валентной зоне.

В кремнии и германиевые диоды, большая часть энергии выделяется в виде тепла и излучаемого света слишком мало.

Однако в такие материалы, как арсенид галлия и фосфид галлия, испускаемые фотоны обладают достаточной энергией для получения интенсивных видимый свет.

Как светодиод излучает свет?

При внешнем напряжение приложено к валентности электронов, они получают достаточную энергию и нарушают связь с родительским атомом.Валентные электроны, которые разрывы связи с родительским атомом называются свободными электронами.

Когда валентность электрон покинул родительский атом, они оставляют пустое место в валентная оболочка, на которой ушел валентный электрон. Этот пустой пространство в валентной оболочке называется дырой.

Уровень энергии все валентные электроны почти одинаковы.Группировка ассортимента уровней энергии всех валентных электронов называется валентная полоса.

Аналогичным образом уровень энергии всех свободных электронов практически одинаков. Группировка диапазона уровней энергии всех свободных электронов называется зоной проводимости.

Уровень энергии свободных электронов в зоне проводимости высока по сравнению с уровень энергии валентных электронов или дырок в валентных группа.Следовательно, свободные электроны в зоне проводимости должны теряют энергию, чтобы рекомбинировать с дырками в валентная полоса.

Свободные электроны в зоне проводимости не задерживаются надолго. После короткий период свободные электроны теряют энергию в виде свет и рекомбинировать с дырками в валентной зоне. Каждый рекомбинация носителей заряда будет излучать некоторую световую энергию.

Потеря энергии свободные электроны или интенсивность излучаемого света зависит от запрещенная зона или энергетическая щель между зоной проводимости и валентная полоса.

Полупроводник устройство с большим запрещенным зазором излучает свет высокой интенсивности тогда как полупроводниковый прибор с малой запрещенной зоной излучает свет низкой интенсивности.

Другими словами, яркость излучаемого света зависит от материала используется для построения светодиода и прямого тока через ВЕЛ.

В нормальном кремнии диоды, энергетическая щель между зоной проводимости и валентной полоса меньше. Следовательно, электроны падают только на короткое расстояние. В результате высвобождаются фотоны с низкой энергией.Эта низкая энергия фотоны имеют низкую частоту, невидимую для человеческого глаза.

В светодиодах энергия зазор между зоной проводимости и валентной зоной очень велик, поэтому свободные электроны в светодиодах имеют большую энергию, чем свободные электроны в кремниевых диодах. Следовательно, свободные электроны попадают в большое расстояние. В результате фотоны высоких энергий выпущенный.Эти фотоны высокой энергии имеют высокую частоту, которая виден человеческим глазом.

Эффективность генерация света в светодиодах увеличивается с увеличением инжектируемого ток и при понижении температуры.

В светоизлучающем диоды, свет возникает за счет процесса рекомбинации. Рекомбинация носителей заряда происходит только при условие прямого смещения.Следовательно, светодиоды работают только в прямом направлении. условие смещения.

Когда светоизлучающий диод смещен в обратном направлении, свободные электроны (большинство носители) с n-стороны и дырки (мажоритарные носители) с p-сторона удаляется от стыка. В результате ширина область истощения увеличивается и нет рекомбинации заряда носители бывают. Таким образом, свет не производится.

Если обратное смещение напряжение, приложенное к светодиоду, сильно увеличено, устройство может также быть поврежденным.

Все диоды излучают фотоны или свет, но не все диоды излучают видимый свет. В материал в светодиодах выбирается таким образом, чтобы длина волны выпущенных фотонов попадает в видимый часть светового спектра.

Светоизлучающий диоды можно включать и выключать с очень высокой скоростью 1 нс.

Светоизлучающий диод (LED) символ

Символ светодиода похож на обычный диод с p-n переходом, за исключением того, что он содержит стрелки, указывающие от диода, указывающие, что свет излучается диодом.

Доступно

светодиода в разных цветах. Наиболее распространенные цвета светодиодов: оранжевый, желтый, зеленый и красный.

Схема символ светодиода не отображает цвет света. В схематический символ одинаков для всех цветов светодиодов. Следовательно, это невозможно определить цвет светодиода по его символ.

светодиод строительство

Один из способов Используется для создания светодиода, чтобы нанести три полупроводниковых слоя на подложке.Три полупроводниковых слоя, нанесенные на Подложка — полупроводник n-типа, полупроводник p-типа и активная область. Активная область находится между Полупроводниковые слои n-типа и p-типа.

Когда светодиод горит вперед смещенные, свободные электроны из полупроводников и дырок n-типа из полупроводника p-типа подталкиваются к активному область, край.

Когда свободные электроны с n-стороны и дырки с p-стороны рекомбинируют с противоположным носители заряда (свободные электроны с дырками или дырки со свободными электронов) в активной области невидимый или видимый свет испускается.

В светодиодах большая часть носители заряда рекомбинируют в активной области. Таким образом, большинство свет излучается активной областью.Активная область также называется областью истощения.

Смещение светодиода

Безопасный форвард номинальное напряжение большинства светодиодов составляет от 1 В до 3 В и выше. номинальный ток от 200 мА до 100 мА.

Если напряжение применяется к светодиоду, находится в диапазоне от 1 В до 3 В, светодиод работает отлично потому что ток для приложенного напряжения находится в рабочий диапазон.Однако, если напряжение, приложенное к светодиоду, увеличился до значения более 3 вольт. Истощение область в светодиоде выходит из строя и электрический ток внезапно встает. Это внезапное повышение тока может разрушить устройство.

Чтобы избежать этого, мы нужно поставить резистор (R s ) последовательно со светодиодом. Резистор (R s ) должен быть помещен между источником напряжения (Vs) и светодиодом.

Резистор установлен между светодиодом и источником напряжения называется ограничением тока резистор. Этот резистор ограничивает дополнительный ток, который может разрушить светодиод. Таким образом, токоограничивающий резистор защищает светодиод. от повреждений.

Текущий текущий через светодиод математически записывается как

Где,

I F = Прямой ток

В S = Напряжение источника или напряжение питания

V D = падение напряжения на светодиоде

R S = резистор или токоограничивающий резистор

Падение напряжения — это количество напряжения, потраченного впустую, чтобы преодолеть область истощения барьер (который приводит к протеканию электрического тока).

Падение напряжения Светодиод составляет от 2 до 3 В, тогда как кремниевый или германиевый диод составляет 0,3 или 0,7 В.

Следовательно, чтобы Для работы светодиода нам нужно подать большее напряжение, чем кремний или германиевые диоды.

Светоизлучающий диоды потребляют больше энергии, чем кремниевые или германиевые диоды, чтобы работать.

Выход характеристики светодиода

Сумма выходной свет, излучаемый светодиодом, прямо пропорционален количество прямого тока, протекающего через светодиод.Более чем прямой ток, тем больше излучаемый выходной свет. График прямого тока в зависимости от выходного света показан в фигура.

Светодиоды видимого диапазона и невидимые светодиоды

светодиодов в основном делятся на два типа: видимые светодиоды и невидимые светодиоды.

Светодиод видимого диапазона тип светодиода, излучающего видимый свет.Эти светодиоды в основном используется для отображения или освещения, где используются светодиоды индивидуально без фотосенсоров.

Невидимый светодиод — это тип светодиода, излучающего невидимый свет (инфракрасный свет). Эти Светодиоды в основном используются с фотодатчиками, такими как фотодиоды.

Что определяет цвет светодиода?

Используемый материал для построения светодиода определяет его цвет.Другими словами, длина волны или цвет излучаемого света зависит от запрещенный зазор или энергетический зазор материала.

Разные материалы испускать разные цвета света.

Светодиоды из арсенида галлия излучают красный и инфракрасный свет.

Светодиоды из нитрида галлия излучают ярко-синий свет.

Светодиоды на иттриевом алюминиевом гранате излучают белый свет.

Светодиоды из фосфида галлия излучают красный, желтый и зеленый свет.

Алюминиевые светодиоды из нитрида галлия излучают ультрафиолетовый свет.

Светодиоды из фосфида алюминия-галлия излучают зеленый свет.

Преимущества Светодиод

  1. яркость света, излучаемого светодиодами, зависит от силы тока протекает через светодиод. Следовательно, яркость светодиода может быть легко управляется изменением силы тока.Это делает возможность работы светодиодных дисплеев при различных условиях окружающей среды условия освещения.
  2. Светодиоды потребляют мало энергии.
  3. Светодиоды
  4. очень дешевы и легко доступны.
  5. Светодиоды
  6. легкие.
  7. Меньший размер.
  8. Светодиоды
  9. имеют более длительный срок службы.
  10. светодиодов работает очень быстро.Их можно включать и выключать в очень меньше времени.
  11. Светодиоды
  12. не содержат токсичных материалов, таких как ртуть. в люминесцентных лампах.
  13. Светодиоды
  14. могут излучать разные цвета света.

Недостатки светодиодов

  1. светодиодов нужно больше мощности для работы, чем обычные диоды с p-n переходом.
  2. Световая отдача светодиодов низкая.

Приложения светодиодов

      Различные применения светодиодов следующие

        1. Системы охранной сигнализации
        2. Калькуляторы
        3. Картинные телефоны
        4. Светофоры
        5. Вычислительные цифровые
        6. Мультиметры
        7. Микропроцессоры
        8. Цифровые часы
        9. Автомобильные тепловые лампы
        10. Вспышки для фотоаппарата
        11. Авиационное освещение

        Типы диодов

        различные типы диодов следующие:

        1. стабилитрон диод
        2. Лавинный диод
        3. Фотодиод
        4. Свет Излучающий диод
        5. Лазер диод
        6. Туннель диод
        7. Шоттки диод
        8. Варактор диод
        9. П-Н переходной диод

              Что такое светодиод? Принцип работы светодиода

              LED — одно из последних изобретений, которое широко используется в наши дни.Их популярность и возможности применения быстро растут из-за очень небольшого размера и очень небольшого энергопотребления. Но возникает вопрос, знаете ли вы , как работает светодиод, расчет напряжения-тока, приложений, и преимущества светодиода? Давайте познакомимся с принципом работы светодиода .


              Определение: Светодиод — это диод, излучающий видимый свет при прямом смещении диода.


              A Светодиод (LED) — это диод, но он не сделан из кремния или германия.Он сделан с использованием таких элементов, как галлий, фосфор и мышьяк. Изменяя количество этих элементов, светодиоды могут излучать свет с разной длиной волны и разными цветами, включая красный, зеленый, желтый и синий.
              5-миллиметровые красные, зеленые, желтые и синие светодиоды.

              Например, когда светодиод изготовлен с использованием арсенида галлия, он будет давать красный цвет. Если светодиод изготовлен из фосфида галлия, он будет светиться зеленым цветом.

              Принцип работы светодиода

              Принцип работы светодиода (LED) заключается в том, что когда он смещен в прямом направлении, электроны из материала n-типа пересекают PN-переход и рекомбинируют с дырками в материале p-типа. В основном эти свободные электроны находятся в зоне проводимости и на более высоком энергетическом уровне, чем дырка в валансной зоне. Когда происходит эта рекомбинация, рекомбинирующие электроны выделяют энергию в виде тепла и света.

              В германиевых и кремниевых диодах почти вся энергия выделяется в виде тепла, а излучаемый свет незначителен.Однако в арсениде галлия количество фотонов световой энергии достаточно для получения достаточно интенсивного видимого света.

              Условное обозначение светодиода

              Схематический символ светодиода показан ниже. Стрелки показаны направленными в сторону от диода и указывают на то, что устройство излучает свет, когда оно смещено вперед.

              Светодиоды доступны в нескольких цветах, но схематический символ универсален для всех. Таким образом, нет символа, указывающего цвет конкретного светодиода.

              Принципы работы светодиодов | Мобильные системы

              Внутренняя работа светодиода, схема (вверху) и диаграмма диапазона (внизу)
              P-N переход может преобразовывать поглощенную световую энергию в пропорциональный электрический ток. Здесь тот же процесс обратный (т.е. переход P-N излучает свет, когда к нему прикладывается электрическая энергия).

              Это явление обычно называют электролюминесценцией, которую можно определить как излучение света полупроводником под действием электрического поля.Носители заряда рекомбинируют в смещенном вперед P-N переходе, когда электроны пересекают N-область и рекомбинируют с дырками, существующими в P-области. Свободные электроны находятся в зоне проводимости энергетических уровней, а дырки — в валентной энергетической зоне. Таким образом, уровень энергии дырок будет меньше уровней энергии электронов. Некоторая часть энергии должна рассеиваться, чтобы рекомбинировать электроны и дырки. Эта энергия излучается в виде тепла и света.

              Внутренняя работа светодиода, показывающая схему.

              Электроны рассеивают энергию в виде тепла для кремниевых и германиевых диодов, но в полупроводниках на основе арсенида галлия (GaAsP) и фосфида галлия (GaP) электроны рассеивают энергию, испуская фотоны. Если полупроводник является полупрозрачным, переход становится источником света при его испускании, превращаясь, таким образом, в светоизлучающий диод, но когда переход смещен в обратном направлении, светодиод не будет излучать свет, и, наоборот, устройство может также быть поврежденным.

              Технологии



              ВАХ диода. Светодиод начнет излучать свет, когда на него будет подано более 2 или 3 вольт.

              Физика

              Светодиод состоит из кристалла из полупроводникового материала, легированного примесями для создания p-n-перехода. Как и в других диодах, ток легко течет от p-стороны или анода к n-стороне или катоду, но не в обратном направлении. Носители заряда — электроны и дырки — поступают в переход от электродов с разным напряжением.Когда электрон встречает дыру, он попадает на более низкий энергетический уровень и выделяет энергию в виде фотона.

              Длина волны излучаемого света и, следовательно, его цвет зависит от ширины запрещенной зоны материалов, образующих p-n-переход. В кремниевых или германиевых диодах электроны и дырки обычно рекомбинируют посредством безызлучательного перехода, который не дает оптического излучения, потому что это материалы с непрямой запрещенной зоной. Материалы, используемые для светодиода, имеют прямую запрещенную зону с энергией, соответствующей ближнему инфракрасному, видимому или ближнему ультрафиолетовому свету.

              Разработка светодиодов

              началась с инфракрасных и красных устройств, сделанных из арсенида галлия. Достижения в области материаловедения позволили создавать устройства с все более короткими длинами волн, излучающими свет различных цветов.

              Светодиоды

              обычно строятся на подложке n-типа, с электродом, прикрепленным к слою p-типа, нанесенному на его поверхность. Подложки P-типа встречаются реже. Многие коммерческие светодиоды, особенно GaN / InGaN, также используют сапфировую подложку.

              Большинство материалов, используемых для производства светодиодов, имеют очень высокие показатели преломления.Это означает, что большая часть света будет отражаться обратно в материал на границе раздела материал / поверхность воздуха. Таким образом, отвод света в светодиодах является важным аспектом производства светодиодов, который требует большого количества исследований и разработок.

              Показатель преломления



              Идеальный пример светоизлучающих конусов в полупроводнике для зоны излучения с одним точечным источником. На левой иллюстрации показана полностью полупрозрачная пластина, а на правой иллюстрации показаны полуконусы, сформированные, когда нижний слой полностью непрозрачен.На самом деле свет излучается одинаково во всех направлениях от точечного источника, поэтому области между конусами показывают большое количество захваченной световой энергии, которая тратится впустую в виде тепла.



              Конусы светового излучения настоящей светодиодной пластины намного сложнее, чем световое излучение от одного точечного источника. Зона излучения света обычно представляет собой двумерную плоскость между пластинами.

              Каждый атом в этой плоскости имеет индивидуальный набор конусов излучения. Изобразить миллиарды перекрывающихся конусов невозможно, поэтому это упрощенная диаграмма, показывающая размеры всех конусов выбросов вместе взятых.Большие боковые конусы обрезаны, чтобы показать детали интерьера и уменьшить сложность изображения; они простирались бы до противоположных краев двумерной эмиссионной плоскости.

              Полупроводники без покрытия, такие как кремний, имеют очень высокий показатель преломления по сравнению с открытым воздухом, что предотвращает прохождение фотонов, приходящих под острыми углами относительно поверхности полупроводника, контактирующей с воздухом, из-за полного внутреннего отражения. Это свойство влияет как на эффективность излучения света светодиодов, так и на эффективность поглощения света фотоэлектрическими элементами.Показатель преломления кремния составляет 3,96 (при 590 нм), а воздуха — 1.0002926.

              Как правило, полупроводниковый светодиодный чип с плоской поверхностью без покрытия будет излучать свет только перпендикулярно поверхности полупроводника и на несколько градусов в сторону, в форме конуса, называемого световым конусом, конусом света или конусом выхода. Максимальный угол падения называется критическим углом. Когда этот угол превышен, фотоны больше не покидают полупроводник, а вместо этого отражаются внутри полупроводникового кристалла, как если бы он был зеркалом.

              Внутренние отражения могут выходить через другие грани кристалла, если угол падения достаточно мал и кристалл достаточно прозрачен, чтобы не поглощать излучение фотонов. Но для простого квадратного светодиода с поверхностями, расположенными под углом 90 градусов со всех сторон, все грани действуют как зеркала с равным углом. В этом случае большая часть света не может уйти и теряется в кристалле в виде отработанного тепла.

              Изогнутая поверхность чипа с угловыми гранями, подобная драгоценному камню или линзе Френеля, может увеличивать светоотдачу, позволяя свету излучаться перпендикулярно поверхности чипа, находясь далеко от точки излучения фотонов.

              Идеальной формой полупроводника с максимальным светоотдачей была бы микросфера с излучением фотонов, происходящим точно в центре, с электродами, проникающими в центр, чтобы контактировать в точке излучения. Все световые лучи, исходящие из центра, будут перпендикулярны всей поверхности сферы, что не приведет к внутренним отражениям. Полусферический полупроводник
              также будет работать с плоской задней поверхностью, служащей зеркалом для обратно рассеянных фотонов.

              Переходные покрытия

              После легирования пластина разрезается на отдельные штампы. Каждый кубик обычно называют чипом.

              Многие светодиодные полупроводниковые чипы заключены в капсулы или залиты в прозрачные или цветные формованные пластиковые корпуса. Пластиковая оболочка имеет три назначения:
              1. Установка полупроводникового кристалла в устройства проще.
              2. Крошечная хрупкая электропроводка имеет физическую опору и защищена от повреждений.
              3.Пластик действует как преломляющий посредник между
              с относительно высоким показателем преломления. полупроводник и низкоиндексный открытый воздух.

              Третья функция помогает усилить световое излучение полупроводника, действуя как рассеивающая линза, позволяя излучать свет под гораздо большим углом падения от светового конуса, чем может излучать только голый чип.

              КПД и рабочие параметры

              Типовые индикаторные светодиоды рассчитаны на работу с мощностью не более 30–60 милливатт (мВт).Примерно в 1999 году Philips Lumileds представила мощные светодиоды, способные работать непрерывно при мощности в один ватт. В этих светодиодах использовались полупроводниковые кристаллы гораздо большего размера, чтобы выдерживать большие потребляемые мощности. Кроме того, полупроводниковые кристаллы устанавливались на металлические заглушки для отвода тепла
              от светодиодной матрицы.

              Одним из ключевых преимуществ светодиодных источников освещения является высокая светоотдача. Белые светодиоды быстро уступили и превзошли по эффективности стандартные системы освещения лампами накаливания. В 2002 году Lumileds выпустила светодиоды мощностью 5 Вт со световой эффективностью 18–22 люмен на ватт (лм / Вт).Для сравнения: обычная лампа накаливания мощностью 60–100 Вт излучает около 15 лм / Вт, а стандартные люминесцентные лампы излучают до 100 лм / Вт.

              По состоянию на 2012 год Philips достигла следующих показателей эффективности для каждого цвета. [52] Значения эффективности показывают физику — выходная мощность света на электрическую мощность в дюймах. Значение эффективности люмен на ватт включает характеристики человеческого глаза и выводится с использованием функции яркости.

              Цвет

              Длина волны

              диапазон (нм)

              Типичный

              эффективность

              коэффициент

              Типичный

              эффективность

              (лм / Вт)

              Красный 620 < λ <645 0.39 72
              Красно-оранжевый 610 < λ <620 0,29 98
              зеленый 520 < λ <550 0,15 93
              Голубой 490 < λ <520 0.26 75
              Синий 460 < λ <490 0,35 37

              В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода, который потребляет 24 мВт при 20 миллиампер (мА). Это произвело коммерчески упакованный белый свет с мощностью 65 лм / Вт при 20 мА, став самым ярким белым светодиодом, доступным на рынке в то время, и более чем в четыре раза более эффективным, чем стандартные лампы накаливания.В 2006 году продемонстрировали прототип с винтовкой
              . рекордная световая отдача белых светодиодов 131 лм / Вт при 20 мА. Корпорация Nichia разработала белый светодиод со светоотдачей 150 лм / Вт при прямом токе 20 мА. Светодиоды Cree XLamp XM-L, поступившие в продажу в 2011 году, производят 100 лм / Вт при полной мощности 10 Вт и до 160 лм / Вт при входной мощности около 2 Вт. В 2012 году Cree анонсировала белый светодиод мощностью 254 лм / Вт и 303 лм / Вт в марте 2014 года. Практическое общее освещение требует мощных светодиодов мощностью один ватт или более.Типичные рабочие токи для таких устройств начинаются с 350 мА.

              Эти значения эффективности относятся только к светодиоду, выдерживаемому при низкой температуре в лаборатории. Поскольку светодиоды, установленные в реальных светильниках, работают при более высоких температурах и с потерями в драйвере, реальная эффективность намного ниже. Министерство энергетики США (DOE) тестирование коммерческих светодиодных ламп, предназначенных для замены ламп накаливания или КЛЛ, показало, что в 2009 году средняя эффективность все еще составляла около 46 лм / Вт (протестированные характеристики варьировались от 17 лм / Вт до 79 лм / Вт).

              Падение эффективности

              Падение КПД — это снижение световой отдачи светодиодов при увеличении электрического тока свыше десятков миллиампер.

              Первоначально предполагалось, что этот эффект связан с повышенными температурами. Ученые доказали обратное: хотя срок службы светодиода сократится, падение эффективности будет менее значительным при повышенных температурах.

              Механизм, вызывающий падение эффективности, был идентифицирован в 2007 году как оже-рекомбинация, которая была воспринята как смешанная реакция.В 2013 г. было проведено исследование
              подтвердили оже-рекомбинацию как причину падения эффективности.

              Помимо того, что светодиоды менее эффективны, работа светодиодов при более высоких электрических токах создает более высокие уровни тепла, которые снижают срок службы светодиода. Из-за этого повышенного нагрева при более высоких токах светодиоды высокой яркости имеют промышленный стандарт работы при токе всего 350 мА, что является компромиссом между светоотдачей, эффективностью и долговечностью.

              Возможные решения

              Вместо увеличения уровня тока яркость обычно увеличивается за счет объединения нескольких светодиодов в одной лампочке.Решение проблемы снижения эффективности означало бы, что для бытовых светодиодных ламп потребуется меньше светодиодов, что значительно снизит затраты.

              Исследователи из Лаборатории военно-морских исследований США нашли способ уменьшить падение эффективности. Они обнаружили, что спад возникает из-за безызлучательной оже-рекомбинации инжектированных носителей. Они создали квантовые ямы с мягким ограничивающим потенциалом, чтобы уменьшить безызлучательные оже-процессы.

              Исследователи из Тайваньского национального центрального университета и Epistar Corp. разрабатывают способ уменьшения падения эффективности за счет использования керамических подложек из нитрида алюминия (AlN), которые обладают большей теплопроводностью, чем коммерчески используемый сапфир.Более высокая теплопроводность снижает эффект самонагрева.

              Срок службы и отказ

              Твердотельные устройства, такие как светодиоды, подвержены очень ограниченному износу при работе при малых токах и низких температурах. Типичный срок службы составляет от 25 000 до 100 000 часов, но параметры нагрева и тока могут значительно увеличить или сократить это время.

              Наиболее частым признаком выхода из строя светодиода (и диодного лазера) является постепенное снижение светоотдачи и снижение эффективности.Внезапные сбои, хотя и редкие, тоже могут произойти. Первые красные светодиоды отличались коротким сроком службы. С развитием мощных светодиодов устройства подвергаются более высоким температурам перехода и более высокой плотности тока, чем традиционные устройства. Это вызывает нагрузку на материал и может вызвать преждевременное ухудшение светоотдачи. Для количественной классификации полезного срока службы стандартизованным образом было предложено использовать L70 или L50, которые представляют собой время работы (обычно указывается в тысячах часов), при котором данный светодиод достигает 70% и 50% исходной светоотдачи, соответственно.

              Характеристики светодиода

              зависят от температуры. Большинство производителей публикуют рейтинги светодиодов для рабочей температуры 25 ° C (77 ° F). Светодиоды, используемые на открытом воздухе, такие как светофоры или сигнальные огни на тротуаре, и которые используются в климатических условиях, где температура внутри осветительной арматуры становится очень высокой, может привести к низкой интенсивности сигнала или даже к отказу.

              Поскольку эффективность светодиодов обратно пропорциональна рабочей температуре, светодиодная технология хорошо подходит для освещения морозильных камер супермаркетов.[68] [69] [70] Поскольку светодиоды выделяют меньше тепла, чем лампы накаливания, их использование в морозильных камерах также может снизить затраты на охлаждение. Однако они могут быть более восприимчивы к образованию наледи и снега, чем лампы накаливания, поэтому некоторые системы светодиодного освещения были разработаны с дополнительным контуром нагрева. Кроме того, в ходе исследований были разработаны технологии теплоотвода, которые будут передавать тепло, производимое в соединении, в соответствующие области светильника.

              Цвета и материалы

              Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов.В следующей таблице показаны доступные цвета с диапазоном длин волн, падением напряжения и материалом:



              Синие светодиоды

              Синий и ультрафиолетовый

              Первый сине-фиолетовый светодиод с использованием нитрида галлия, легированного магнием, был изготовлен в Стэнфордском университете в 1972 году докторантами в области материаловедения и инженерии Хербом Маруска и Уолли Райнсом. В то время Маруска был в отпуске из RCA Laboratories, где он сотрудничал с Жаком Панковым в смежных работах.В 1971 году, через год после отъезда Маруски в Стэнфорд, его коллеги из RCA Панков и Эд Миллер продемонстрировали первую синюю электролюминесценцию от легированного цинком нитрида галлия, хотя последующие устройства Pankove и
              Миллер построил первый настоящий светодиод из нитрида галлия, излучающий зеленый свет.

              В 1974 году Патентное бюро США выдало профессору Маруски, Рейнса и Стэнфорда Дэвиду Стивенсону патент на их работу в 1972 году (патент США US3819974 A), и сегодня легирование нитрида галлия магнием по-прежнему является основой для всех коммерческих синих светодиодов и лазерных диодов. .Эти устройства, построенные в начале 1970-х годов, имели слишком мало светового потока для практического использования, и исследования устройств из нитрида галлия замедлились. В августе 1989 года Cree представила первый коммерчески доступный
              синий светодиод на основе непрямозонного полупроводника, карбида кремния (SiC). [84] SiC-светодиоды имели очень низкий КПД, не более 0,03%, но излучали в синей части спектра видимого света.

              В конце 1980-х ключевые достижения в области эпитаксиального роста GaN и легирования p-типа положили начало современной эре оптоэлектронных устройств на основе GaN.Основываясь на этом фундаменте, Теодор Мустакас из Бостонского университета запатентовал метод производства синих светодиодов высокой яркости с использованием нового двухэтапного процесса [86]. Два года спустя, в 1993 году, Синие светодиоды высокой яркости были снова продемонстрированы Сюдзи Накамура из Nichia Corporation с использованием процесса выращивания нитрида галлия, аналогичного процессу Мустакаса [87]. И Мустакасу, и Накамуре были выданы отдельные патенты, что затрудняло вопрос о том, кто был первоначальным изобретателем (отчасти потому, что, хотя Мустакас изобрел свой первый, Накамура подал первым).[необходима цитата] Эта новая разработка произвела революцию в светодиодном освещении, сделав практичные источники синего света высокой мощности, что привело к разработке
              такие технологии, как Blu-ray, а также позволяют создавать яркие экраны с высоким разрешением современных планшетов и телефонов.

              Накамура был удостоен Премии тысячелетия в области технологий 2006 года за свое изобретение. Накамура, Хироши Амано и Исаму Акасаки были удостоены Нобелевской премии по физике в 2014 году за изобретение синего светодиода. [89] [90] [91] В 2015 году суд США постановил, что три компании (т.е. истцы, которые ранее не урегулировали дела во внесудебном порядке), которые лицензировали патенты Накамуры на производство в Соединенных Штатах, нарушили предыдущий патент Мустакаса и обязали их уплатить лицензионные сборы в размере не менее 13 миллионов долларов США.

              К концу 1990-х годов стали широко доступны синие светодиоды. У них есть активная область, состоящая из одной или нескольких квантовых ям InGaN, зажатых между более толстыми слоями GaN, называемыми слоями оболочки. Изменяя относительную долю In / Ga в квантовых ямах InGaN, теоретически можно изменять световое излучение от фиолетового до янтарного.Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) с различным содержанием Al / Ga
              фракция может быть использована для изготовления слоев оболочки и квантовых ям для ультрафиолетовых светодиодов, но эти устройства еще не достигли уровня эффективности и технологической зрелости сине-зеленых устройств InGaN / GaN. Если в этом случае для формирования активных слоев квантовых ям используется нелегированный GaN, устройство будет излучать свет, близкий к ультрафиолетовому, с максимальной длиной волны около 365 нм. Зеленые светодиоды, изготовленные из системы InGaN / GaN, намного эффективнее и ярче, чем зеленые светодиоды, произведенные из систем без нитридных материалов, но практичные устройства
              по-прежнему демонстрируют слишком низкую эффективность для приложений с высокой яркостью.[необходима цитата]
              С нитридами, содержащими алюминий, чаще всего AlGaN и AlGaInN, достигаются даже более короткие длины волн. На рынке становятся доступны ультрафиолетовые светодиоды с различными длинами волн. Излучатели ближнего УФ-диапазона с длинами волн около 375–395 нм уже дешевы и часто встречаются, например, в качестве замены лампы черного света для проверки водяных знаков УФ-излучения, защищающих от подделки, в некоторых документах и ​​бумажных деньгах. Коротковолновые диоды, а
              существенно более дорогие, коммерчески доступны для длин волн вплоть до 240 нм.

              Поскольку светочувствительность микроорганизмов приблизительно соответствует спектру поглощения ДНК, с пиком около 260 нм, в перспективных устройствах для дезинфекции и стерилизации следует ожидать УФ-светодиода, излучающего на длине волны 250–270 нм. Недавние исследования показали, что имеющиеся в продаже светодиоды UVA (365 нм) уже являются эффективными устройствами для дезинфекции и стерилизации.

              длин волн УФ-С были получены в лабораториях с использованием нитрида алюминия (210 нм), [76] нитрида бора (215 нм) [74] [75] и алмаза (235 нм).[73]

              RGB

              RGB-SMD-светодиод

              Светодиоды

              RGB состоят из одного красного, одного зеленого и одного синего светодиода. Путем независимой настройки каждого из трех светодиодов RGB можно получить широкую цветовую гамму. Однако, в отличие от светодиодов с выделенными цветами, они, очевидно, не производят чистых длин волн. Более того, такие коммерчески доступные модули часто не оптимизированы для плавного смешения цветов.

              Белый

              Есть два основных способа производства белых светодиодов (WLED), светодиодов, которые излучают белый свет высокой интенсивности.Один из них — использовать отдельные светодиоды, которые излучают три основных цвета — красный, зеленый и синий, — а затем смешивать все цвета для образования белого света. Другой — использовать люминофор для преобразования монохроматического света синего или ультрафиолетового светодиода в широкий спектр белого света, почти так же, как работает люминесцентная лампа. Важно отметить, что «белизна» излучаемого света, по сути, разработана так, чтобы соответствовать человеческому глазу, и в зависимости от ситуации не всегда может быть уместным думать о нем как о белом свете.

              Существует три основных метода смешивания цветов для получения белого света от светодиода:
              * Синий светодиод + зеленый светодиод + красный светодиод (смешение цветов; может использоваться как подсветка для
              отображает)
              * Ближний УФ- или УФ-светодиод + люминофор RGB (светодиод, излучающий свет с длиной волны
              короче синего используется для возбуждения люминофора RGB)
              * Синий светодиод + желтый люминофор (два дополнительных цвета объединяются, образуя белый свет;
              более эффективен, чем первые два метода, и используется чаще) [96]
              Из-за метамерии могут быть совершенно разные спектры, которые кажутся белыми.Однако
              Внешний вид объектов, освещаемых этим светом, может изменяться в зависимости от спектра.

              Системы RGB

              Комбинированные спектральные кривые для синих, желто-зеленых и красных твердотельных полупроводниковых светодиодов высокой яркости. Ширина спектральной полосы на полувысоте составляет примерно 24–27 нм для всех трех цветов.

              RGB светодиод

              Белый свет может быть получен путем смешивания разноцветных огней; наиболее распространенный метод — использовать красный, зеленый и синий (RGB).Следовательно, этот метод называется многоцветными белыми светодиодами (иногда их называют светодиодами RGB). Потому что им нужны электронные схемы для управления смешиванием и распространением разных цветов, и потому что отдельные цветные светодиоды обычно имеют немного разные диаграммы излучения (что приводит к изменению цвета в зависимости от направления), даже если они
              сделаны как единое целое, они редко используются для получения белого освещения. Тем не менее, этот метод имеет множество применений из-за гибкости смешивания разных цветов, и, в принципе, этот механизм также имеет более высокую квантовую эффективность при получении белого света.

              Существует несколько типов многоцветных белых светодиодов: ди-, трех- и тетрахроматические белые светодиоды. Несколько ключевых факторов, которые влияют на эти различные методы, включают стабильность цвета, способность цветопередачи и световую отдачу. Часто более высокая эффективность будет означать более низкую цветопередачу, представляя компромисс между световой эффективностью и цветопередачей. Например, дихроматические белые светодиоды имеют лучшую светоотдачу (120 лм / Вт), но самую низкую способность к цветопередаче.Однако, хотя тетрахроматические белые светодиоды обладают отличной цветопередачей, они часто имеют низкую светоотдачу. Между ними находятся белые трехцветные светодиоды, обладающие как хорошей светоотдачей (> 70 лм / Вт), так и хорошей цветопередачей.

              Одна из задач — разработка более эффективных зеленых светодиодов. Теоретический максимум для зеленых светодиодов составляет 683 люмен на ватт, но по состоянию на 2010 год несколько зеленых светодиодов превышают даже 100 люмен на ватт. Синий и красный светодиоды приближаются к своим теоретическим пределам.

              Многоцветные светодиоды предлагают не просто еще одно средство формирования белого света, но и новое средство формирования света разных цветов. Наиболее различимые цвета можно получить, смешав разное количество трех основных цветов. Это позволяет точно контролировать динамический цвет. Поскольку все больше усилий уделяется исследованию этого метода, многоцветные светодиоды должны иметь огромное влияние на основной метод, который мы используем для получения и управления цветом света. Однако, прежде чем этот тип светодиодов сможет появиться на рынке, необходимо решить несколько технических проблем.К ним относится то, что мощность излучения этого типа светодиодов экспоненциально спадает с повышением температуры, что приводит к существенному изменению стабильности цвета. Такие проблемы препятствуют промышленному использованию и могут препятствовать его использованию.

              Таким образом, было предложено много новых дизайнов корпусов, направленных на решение этой проблемы, и их результаты теперь воспроизводятся исследователями и учеными.

              Регулирование яркости с коррелированной цветовой температурой (CCT) для светодиодной технологии считается сложной задачей, поскольку эффекты биннинга, возраста и температурного дрейфа светодиодов изменяют фактическое выходное значение цвета.

              Системы контура обратной связи

              используются, например, с датчиками цвета для активного мониторинга и управления выводом цвета нескольких светодиодов смешивания цветов.

              Светодиоды на основе люминофора

              Спектр белого светодиода, показывающий синий свет, непосредственно излучаемый светодиодом на основе GaN (пик около 465 нм), и более широкополосный свет со сдвигом Стокса, излучаемый люминофором Ce3 +: YAG, который излучает примерно на 500–700 нм

              Этот метод включает покрытие одноцветных светодиодов (в основном синие светодиоды из InGaN) люминофором разных цветов для формирования белого света; Полученные светодиоды называются белыми светодиодами на основе люминофора или преобразованными люминофором (pcLED).Часть синего света претерпевает стоксов сдвиг, преобразуясь от более коротких длин волн к более длинным. В зависимости от цвета исходного светодиода могут использоваться люминофоры разных цветов. Если несколько слоев люминофора
              применяются различные цвета, излучаемый спектр расширяется, эффективно повышая значение индекса цветопередачи (CRI) данного светодиода.

              Спектр белого светодиода, показывающий синий свет, непосредственно излучаемый светодиодом на основе GaN (пик около 465 нм), и более широкополосный свет со сдвигом Стокса, излучаемый люминофором Ce 3+ : YAG, который излучает примерно при 500–500 ° C. 700 нм

              Потери эффективности светодиода на основе люминофора связаны с потерями тепла из-за стоксова сдвига, а также с другими проблемами деградации, связанными с люминофором.Их световая эффективность по сравнению с обычными светодиодами зависит от спектрального распределения результирующего светового потока и исходной длины волны самого светодиода. Например, световая отдача обычного белого светодиода на основе желтого люминофора YAG в 3-5 раз превышает световую отдачу оригинального синего светодиода из-за
              человеческий глаз более чувствителен к желтому, чем к синему (смоделировано в функции яркости).

              Из-за простоты изготовления люминофорный метод до сих пор остается самым популярным методом изготовления белых светодиодов высокой интенсивности.Разработка и производство источника света или осветительной арматуры с использованием монохромного излучателя с люминофорным преобразованием проще и дешевле, чем сложная система RGB, и большинство высокоинтенсивных белых светодиодов, представленных в настоящее время на рынке, производятся с использованием преобразования люминофорного света.

              Среди проблем, стоящих перед повышением эффективности источников белого света на основе светодиодов, является разработка более эффективных люминофоров. По состоянию на 2010 год самым эффективным желтым люминофором по-прежнему является люминофор YAG с потерями на стоксовом сдвиге менее 10%.Потери, связанные с внутренними оптическими потерями из-за повторного поглощения в светодиодном чипе и в самой светодиодной упаковке, составляют
              обычно еще от 10% до 30% потери эффективности. В настоящее время в области разработки люминофорных светодиодов много усилий затрачивается на оптимизацию этих устройств для повышения светоотдачи и рабочих температур. Например, эффективность может быть повышена за счет адаптации лучшей конструкции корпуса или использования более подходящего типа люминофора. Процесс конформного покрытия часто используется для решения проблемы различной толщины люминофора.

              Некоторые белые светодиоды на основе люминофора инкапсулируют синие светодиоды InGaN внутри эпоксидной смолы с люминофорным покрытием. В качестве альтернативы, светодиод может быть соединен с удаленным люминофором, предварительно отформованным элементом из поликарбоната, покрытым люминофорным материалом. Удаленные люминофоры обеспечивают более рассеянный свет, что желательно для многих приложений. Конструкции выносного люминофора также более терпимы к изменениям в
              спектр излучения светодиодов. Обычным материалом желтого люминофора является иттрий-алюминиевый гранат, легированный церием (Ce3 +: YAG).

              Белые светодиоды также могут быть изготовлены путем покрытия светодиодов, близких к ультрафиолетовому (NUV), смесью высокоэффективных люминофоров на основе европия, излучающих красный и синий, а также сульфида цинка, легированного медью и алюминием (ZnS: Cu, Al), который излучает зеленый. Это метод, аналогичный тому, как работают люминесцентные лампы. Этот метод менее эффективен, чем синие светодиоды с люминофором YAG: Ce, поскольку стоксов сдвиг больше, поэтому больше энергии преобразуется в тепло, но дает свет с лучшим спектральным диапазоном
              характеристики, которые лучше передают цвет.Из-за более высокой мощности излучения ультрафиолетовых светодиодов, чем синих, оба метода обеспечивают сопоставимую яркость.

              Беспокоит то, что УФ-свет может просачиваться из-за неисправного источника света и причинять вред человеческим глазам или коже.

              Другие светодиоды белого цвета

              Другой метод, используемый для создания экспериментальных светодиодов белого света, не использовал люминофор вообще и был основан на гомоэпитаксиально выращенном селениде цинка (ZnSe) на подложке из ZnSe, который одновременно излучал синий свет из своей активной области и желтый свет из подложки.

              Пластины нового типа, состоящие из нитрида галлия на кремнии (GaN-на-Si), используются для производства белых светодиодов с использованием кремниевых пластин диаметром 200 мм. Это позволяет избежать использования типичной дорогостоящей сапфировой подложки при относительно небольших размерах пластин 100 или 150 мм. Сапфировое устройство должно быть соединено с зеркальным коллектором, чтобы отражать свет, который в противном случае был бы потрачен впустую. Прогнозируется, что к 2020 году 40% всех светодиодов на основе GaN будут изготавливаться из GaN-на-Si. Производство большого сапфира затруднено, в то время как крупный кремниевый материал дешевле и более распространен.

              светодиодных компаний, переходящих с сапфира на кремний, требуют минимальных инвестиций.

              Светодиоды органические (OLED)




              Оранжевый светодиод

              В органическом светоизлучающем диоде (OLED) электролюминесцентный материал, составляющий излучающий слой диода, представляет собой органическое соединение. Органический материал является электропроводным из-за делокализации пи-электронов, вызванной сопряжением всей или части молекулы, и поэтому материал функционирует как органический полупроводник.Органические материалы могут быть небольшими органическими молекулами в кристаллической фазе или полимерами.

              Потенциальные преимущества OLED включают тонкие недорогие дисплеи с низким напряжением питания, широким углом обзора, высокой контрастностью и цветовой гаммой. Полимерные светодиоды имеют дополнительное преимущество в виде гибких дисплеев с возможностью печати. OLED-светодиоды использовались для создания визуальных дисплеев для портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, цифровые камеры и MP3-плееры, в то время как возможное будущее использование включает освещение и телевизоры.

              Светодиоды на квантовых точках

              Квантовые точки (КТ) — это полупроводниковые нанокристаллы, обладающие уникальной оптической способностью
              характеристики. Их цвет излучения можно регулировать от видимого до инфракрасного спектра. Это позволяет светодиодам с квантовыми точками создавать практически любой цвет на диаграмме CIE. Это обеспечивает больше вариантов цвета и лучшую цветопередачу, чем белые светодиоды, поскольку спектр излучения намного уже, что характерно для состояний с квантовыми ограничениями. Существует два типа схем возбуждения квантовых точек.Один использует фотовозбуждение с помощью светодиода первичного источника света (обычно используются синие или ультрафиолетовые светодиоды). Другой — прямое электрическое возбуждение, впервые продемонстрированное Alivisatos et al.

              Одним из примеров схемы фотовозбуждения является метод, разработанный Майклом Бауэрсом из Университета Вандербильта в Нэшвилле, включающий покрытие синего светодиода квантовыми точками, которые светятся белым в ответ на синий свет светодиода. Этот метод излучает теплый желтовато-белый свет, похожий на свет от ламп накаливания.Квантовые точки также рассматриваются для использования в белых светодиодах в телевизорах с жидкокристаллическими дисплеями (ЖКД).

              В феврале 2011 года ученые PlasmaChem GmbH смогли синтезировать квантовые точки для светодиодных приложений и построить на их основе преобразователь света, который мог эффективно преобразовывать свет из синего в любой другой цвет в течение многих сотен часов. Такие КТ могут использоваться для излучения видимого или ближнего инфракрасного света любой длины волны, возбуждаемого светом с более короткой длиной волны.

              Структура QD-светодиодов, используемых для схемы электрического возбуждения, аналогична базовой конструкции OLED. Слой квантовых точек зажат между слоями материалов, переносящих электроны и дырки. Приложенное электрическое поле заставляет электроны и дырки перемещаться в слой квантовых точек и рекомбинировать, образуя экситон, который возбуждает квантовую точку. Эта схема обычно изучается для отображения квантовых точек. Возможность настройки длин волн излучения и узкая полоса пропускания также полезны в качестве источников возбуждения для флуоресцентной визуализации.Была продемонстрирована флуоресцентная сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле (NSOM) с использованием встроенного QD-LED.

              В феврале 2008 года с помощью нанокристаллов была достигнута световая отдача 300 люмен видимого света на ватт излучения (а не на электрический ватт) и излучение теплого света.

              Типы



              светодиода выпускаются самых разных форм и размеров. Цвет пластиковой линзы часто совпадает с фактическим цветом излучаемого света, но не всегда.Например, фиолетовый пластик часто используется для инфракрасных светодиодов, а большинство синих устройств имеют бесцветные корпуса. Современные мощные светодиоды, такие как те, которые используются для освещения и подсветки, обычно используются в технологии поверхностного монтажа
              (SMT) пакеты (не показаны).

              Основными типами светодиодов являются миниатюрные высокомощные устройства и специальные конструкции, такие как буквенно-цифровые или многоцветные.

              Миниатюра

              Фотография миниатюрных светодиодов для поверхностного монтажа самых распространенных размеров. Они могут быть намного меньше традиционных 5-миллиметровых ламповых светодиодов, которые показаны в верхнем левом углу.

              Очень маленький (1,6×1,6×0,35 мм) красный, зеленый и синий миниатюрный светодиодный корпус для поверхностного монтажа с деталями соединения золотой проволокой.

              В основном это одинарные светодиоды, используемые в качестве индикаторов, и они бывают различных размеров от 2 до 8 мм, в корпусах для сквозных отверстий и для поверхностного монтажа. Обычно в них не используется отдельный радиатор. Типичный диапазон значений тока составляет от 1 мА до более 20 мА. Небольшой размер устанавливает естественную верхнюю границу энергопотребления из-за тепла, вызванного высокой плотностью тока и необходимостью радиатора.Часто используется в виде гирлянд, используемых в светодиодных лентах.

              Распространенные формы упаковки включают круглую, с выпуклой или плоской вершиной, прямоугольную с плоской вершиной (как используется в дисплеях с гистограммой) и треугольную или квадратную с плоской вершиной. Инкапсуляция также может быть прозрачной или тонированной для улучшения контрастности и угла обзора.

              Исследователи из Вашингтонского университета изобрели самый тонкий светодиод. Он изготовлен из двухмерных (2-D) гибких материалов. Его толщина составляет три атома, что в 10-20 раз тоньше, чем у трехмерных (3-D) светодиодов, а также в 10 000 раз меньше толщины человеческого волоса.Эти двухмерные светодиоды сделают возможным создание меньшего размера, более энергоэффективного освещения, оптической связи и нано-лазеров.

              Есть три основных категории миниатюрных одинарных светодиодов:

              Слаботочный

              Обычно рассчитан на 2 мА при 2 В (потребление примерно 4 мВт)
              Стандарт
              Светодиоды 20 мА (в диапазоне от примерно 40 мВт до 90 мВт) на отметке:
              * От 1,9 до 2,1 В для красного, оранжевого, желтого и традиционного зеленого
              * 3.От 0 до 3,4 В для чистого зеленого и синего
              * От 2,9 до 4,2 В для фиолетового, розового, пурпурного и белого

              Сверхвысокая мощность

              20 мА при 2 или 4–5 В, предназначен для просмотра под прямыми солнечными лучами
              Светодиоды на 5 В и 12 В представляют собой обычные миниатюрные светодиоды, в состав которых входит соответствующий последовательный резистор для
              . прямое подключение к источнику питания 5 В или 12 В.

              Высокомощный

              Мощные светодиоды на базе светодиодной звезды (Luxeon, Lumileds)

              См. Также: твердотельное освещение, светодиодные лампы и управление температурой мощных светодиодов

              Мощные светодиоды (HP-светодиоды) или светодиоды с высокой выходной мощностью (HO-светодиоды) могут работать при токах от сотен мА до более чем одного ампера, по сравнению с десятками мА для других светодиодов.Некоторые из них могут излучать более тысячи люмен. Достигнута плотность мощности светодиодов до 300 Вт / см2. Поскольку перегрев разрушителен, светодиоды HP должны быть установлены на радиаторе, чтобы обеспечить отвод тепла. Если не удалить тепло от HP-светодиода, устройство выйдет из строя в считанные секунды. Один HP-LED часто может заменить лампу накаливания в фонарике или быть установлен в массив, чтобы сформировать мощную светодиодную лампу.

              Некоторыми хорошо известными светодиодами HP в этой категории являются Nichia 19 series, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon и Cree X-lamp.По состоянию на сентябрь 2009 года некоторые светодиоды HP, производимые Cree, теперь превышают 105 лм / Вт.

              Примерами закона Хайтца, который предсказывает экспоненциальный рост светоотдачи и эффективности светодиодов с течением времени, являются светодиоды серии CREE XP-G, которые достигли 105 лм / Вт в 2009 году, и серия Nichia 19 с типичной эффективностью 140 лм / W, выпущен в 2010 году.

              Привод переменного тока

              Компания Seoul Semiconductor разработала светодиоды

              , которые могут работать от сети переменного тока без преобразователя постоянного тока. Для каждого полупериода часть светодиода излучает свет, а часть темная, и в течение следующего полупериода это меняется на противоположное.Эффективность этого типа HP-LED обычно составляет 40 лм / Вт. Большое количество последовательно соединенных светодиодных элементов может работать непосредственно от сетевого напряжения. В 2009 году Seoul Semiconductor выпустила высоковольтный светодиод постоянного тока под названием Acrich MJT,
              . может работать от сети переменного тока с помощью простой схемы управления. Низкое энергопотребление этих светодиодов дает им большую гибкость, чем оригинальная конструкция светодиодов переменного тока.

              Варианты применения

              Мигает — мигающие светодиоды используются в качестве индикаторов, привлекающих внимание, без использования внешней электроники.Мигающие светодиоды напоминают стандартные светодиоды, но они содержат встроенную схему мультивибратора, которая заставляет светодиод мигать с типичным периодом в одну секунду. В светодиодах с рассеянными линзами эта цепь видна в виде маленькой черной точки. Большинство мигающих светодиодов излучают свет одного цвета, но более сложные устройства могут мигать между несколькими цветами и даже плавно переходить в цветовую последовательность, используя смешение цветов RGB.

              Bi-color — Двухцветные светодиоды содержат два разных светодиодных излучателя в одном корпусе. Их бывает два типа.Один тип состоит из двух матриц, подключенных к одним и тем же двум выводам антипараллельно друг другу. Ток в одном направлении излучает один цвет, а ток в противоположном направлении излучает другой цвет. Другой тип состоит из двух матриц с отдельными выводами для обоих матриц и другого вывода для общего анода или катода, так что ими можно управлять независимо.

              Трехцветный — Трехцветные светодиоды содержат три разных светодиодных излучателя в одном корпусе. Каждый эмиттер подключается к отдельному проводу, поэтому им можно управлять независимо.Типичная схема с четырьмя выводами с одним общим выводом (анодом или катодом) и дополнительным выводом для каждого цвета.

              RGB — светодиоды RGB — это трехцветные светодиоды с красным, зеленым и синим излучателями, обычно использующие четырехпроводное соединение с одним общим выводом (анодом или катодом). Эти светодиоды могут иметь как общие положительные, так и отрицательные выводы. Однако у других есть только два вывода (положительный и отрицательный) и встроенный крошечный электронный блок управления.

              Декоративно-многоцветные — Декоративно-многоцветные светодиоды включают в себя несколько эмиттеров разных цветов, которые питаются только двумя выводами.Цвета переключаются внутри, изменяя напряжение питания.

              Буквенно-цифровые — буквенно-цифровые светодиоды доступны в семисегментном, звездообразном и точечно-матричном форматах. Семисегментные дисплеи обрабатывают все числа и ограниченный набор букв. Дисплеи Starburst могут отображать все буквы. В точечно-матричных дисплеях обычно используется размер 5×7 пикселей на символ. Семисегментные светодиодные дисплеи
              широко использовались в 1970-х и 1980-х годах, но растущее использование жидкокристаллических дисплеев с их более низким потреблением энергии и большей гибкостью дисплеев привело к снижению популярности цифровых и буквенно-цифровых светодиодных дисплеев.

              Светодиоды

              Digital-RGB -Digital-RGB — это светодиоды RGB, которые содержат собственную «интеллектуальную» управляющую электронику. Помимо питания и заземления, они обеспечивают соединения для ввода и вывода данных, а иногда и для тактового или стробирующего сигнала. Они подключены в гирляндную цепочку, данные первого светодиода поступают от
              . микропроцессор, который может управлять яркостью и цветом каждого светодиода независимо от других. Они используются там, где требуется сочетание максимального контроля и минимума видимой электроники, например, струн для Рождества и светодиодных матриц.Некоторые даже имеют частоту обновления в диапазоне кГц, что позволяет использовать базовые видеоприложения.

              Нить накала — Светодиодная нить накала состоит из нескольких светодиодных чипов, соединенных последовательно на общей продольной подложке, которые образуют тонкий стержень, напоминающий традиционную нить накаливания. Они используются в качестве недорогой декоративной альтернативы традиционным лампочкам, которые во многих странах постепенно прекращаются. Нити накаливания требуют довольно высокого напряжения для достижения номинальной яркости,
              позволяя им эффективно и просто работать с сетевым напряжением.Часто простой выпрямитель и ограничение емкостного тока используются для создания недорогой замены традиционной лампочки без сложности создания низковольтного сильноточного преобразователя, который требуется для светодиодов с одной матрицей [130]. Обычно они упаковываются в герметичный корпус, по форме напоминающий лампы, для замены которых они были разработаны (например, колба), и заполнены инертным азотом или диоксидом углерода
              газ для эффективного отвода тепла.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *