Из чего делают светодиоды. Светодиоды: технология производства, виды и характеристики

Что такое светодиод и как он работает. Какие бывают виды светодиодов. Из каких материалов изготавливают светодиоды. Каковы основные характеристики и преимущества светодиодов. Как правильно подключать светодиоды.

Что такое светодиод и принцип его работы

Светодиод (LED — Light Emitting Diode) — это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции, которое возникает в области p-n-перехода полупроводника.

Как работает светодиод? При подаче напряжения в прямом направлении через p-n-переход начинают двигаться электроны и дырки. При их рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов — частиц света. Цвет излучения зависит от ширины запрещенной зоны используемого полупроводника.

Основные элементы конструкции светодиода:

• Полупроводниковый кристалл с p-n-переходом
• Корпус с контактными выводами
• Оптическая система (линза, отражатель)
• Теплоотвод (у мощных светодиодов)

История создания и развития светодиодов

Явление электролюминесценции было открыто еще в начале 20 века, но первые практически применимые светодиоды появились только в 1960-х годах. Рассмотрим основные этапы развития светодиодов:

1. 1907 г. — Генри Раунд обнаружил свечение карбида кремния при прохождении тока
2. 1923 г. — Олег Лосев наблюдал свечение оксида цинка
3. 1962 г. — Ник Холоньяк создал первый красный светодиод видимого диапазона
4. 1970-е гг. — разработаны желтый и зеленый светодиоды
5. 1990-е гг. — созданы яркие синие светодиоды на основе нитрида галлия
6. 2000-е гг. — появление мощных белых светодиодов

В настоящее время технологии производства светодиодов продолжают стремительно развиваться, повышая их эффективность и расширяя области применения.

Виды светодиодов по типу излучения

Светодиоды различаются по цвету и длине волны излучаемого света. Основные виды:

• Инфракрасные (невидимое излучение)
• Красные
• Оранжевые
• Желтые
• Зеленые
• Синие
• Фиолетовые
• Ультрафиолетовые
• Белые (на основе синего кристалла с люминофором)

Цвет излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. Для получения белого света чаще всего используют синий кристалл с желтым люминофором.

Полупроводниковые материалы для изготовления светодиодов

Выбор полупроводникового материала определяет длину волны излучения и другие характеристики светодиода. Наиболее распространенные материалы:

• Арсенид галлия (GaAs) — инфракрасные светодиоды
• Фосфид галлия (GaP) — красные, оранжевые, зеленые
• Нитрид галлия (GaN) — синие, зеленые, ультрафиолетовые
• Селенид цинка (ZnSe) — синие светодиоды
• Карбид кремния (SiC) — синие светодиоды
• Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) — ультрафиолетовые

Для повышения эффективности часто используют многокомпонентные соединения и гетероструктуры на основе этих материалов.

Основные типоразмеры SMD светодиодов

SMD (Surface Mounted Device) светодиоды предназначены для поверхностного монтажа на печатные платы. Наиболее распространенные типоразмеры:

SMD 3528

Размеры 3.5 x 2.8 мм. Широко используются в светодиодных лентах. Мощность около 0.06 Вт.

SMD 5050

Размеры 5.0 x 5.0 мм. Содержит 3 кристалла. Мощность до 0.2 Вт. Применяются в ярких светодиодных лентах.

SMD 5630

Размеры 5.6 x 3.0 мм. Мощность до 0.5 Вт. Высокая светоотдача и эффективность.

SMD 2835

Размеры 2.8 x 3.5 мм. Улучшенная конструкция. Эффективность до 150 лм/Вт.

SMD 3014

Компактный размер 3.0 x 1.4 мм. Применяются в тонких светодиодных панелях.

При выборе типа SMD светодиода учитывают необходимую яркость, энергоэффективность и особенности конструкции устройства.

Характеристики и параметры светодиодов

Основные параметры, характеризующие работу светодиодов:

• Прямое напряжение — типичное значение 2-4 В
• Прямой ток — от единиц до сотен мА
• Яркость свечения (сила света) — от единиц до тысяч мкд
• Угол излучения — от 15° до 180°
• Цветовая температура (для белых) — от 2700К до 6500К
• Световой поток — от единиц до сотен люмен
• Световая отдача — до 150-200 лм/Вт
• Срок службы — 30-100 тыс. часов

Как подобрать оптимальный светодиод? Необходимо учитывать требуемую яркость, цвет, угол излучения, энергоэффективность и условия эксплуатации.

Правила подключения светодиодов

При подключении светодиодов важно соблюдать несколько основных правил:

1. Соблюдать полярность подключения (анод «+», катод «-«)
2. Ограничивать ток через светодиод резистором или драйвером
3. Не превышать максимально допустимый ток
4. Обеспечивать эффективный теплоотвод для мощных светодиодов
5. Использовать стабилизированные источники питания

Как рассчитать сопротивление токоограничивающего резистора? Используется формула: R = (U_пит — U_св) / I_св, где U_пит — напряжение питания, U_св — падение напряжения на светодиоде, I_св — рабочий ток светодиода.

Преимущества и недостатки светодиодов

Светодиоды обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

Преимущества:

• Высокая энергоэффективность (до 150-200 лм/Вт)
• Длительный срок службы (до 100 000 часов)
• Механическая прочность и надежность
• Экологическая безопасность (отсутствие ртути)
• Малые размеры и вес
• Возможность получения любого цвета излучения
• Мгновенное включение без задержек

Недостатки:

• Зависимость характеристик от температуры
• Необходимость использования драйверов питания
• Высокая стоимость мощных светодиодов
• Возможность светового загрязнения при неправильном применении

Несмотря на отдельные недостатки, преимущества светодиодов обеспечивают их широкое распространение в различных областях.

Области применения светодиодов

Благодаря своим уникальным свойствам, светодиоды нашли применение во многих сферах:

• Общее и декоративное освещение помещений
• Уличное и архитектурное освещение
• Автомобильная светотехника
• Экраны и дисплеи
• Световая реклама и вывески
• Системы подсветки в электронике
• Сигнальные устройства
• Медицинское оборудование
• Системы связи (оптоволокно)

Где еще можно использовать светодиоды? Области их применения постоянно расширяются благодаря развитию технологий и появлению новых типов светодиодов.

Технология производства светодиодов

В докладе на открытии 26 конференции Международной Комиссии по Освещению в Пекине было отмечено, что общее направление работы светотехнической научной общественности должно быть направлено на сокращение энергопотребления и уменьшение загрязнения окружающей среды. То есть речь идет не об уменьшении освещённости, а о более рациональном и эффективном использовании освещения. Одним из наиболее перспективных шагов на этом пути, является разработка и использование энергоэкономичных источников света – светодиодов.

Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий свет при прохождении тока через p-n–переход. Чтобы p-n-переход излучал свет, должны выполняться следующие два условия. Во-первых, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, а во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого 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 их соблюсти, одного р-n-перехода в кристалле недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры. Их называют гетероструктуры (именно за изучение гетероструктур академик Алферов получил Нобелевскую премию). Это послужило новым этапом в развитии технологий изготовления светодиодов.

Производство светоизлучающих диодов сталкивается с некоторыми трудностями. Поскольку создание светодиодов — это динамично развивающаяся отрасль светотехнической промышленности, то сложившихся законов и правил их применения пока не существует. Нет нормативной документации, относящейся к процессу производства и использования светодиодов. Каждое крупное производство старается найти свои критерии отбора продукции, но, к сожалению, некаких международных соглашений не существует. Хотя в этом направлении в последнее время ведется активная работа и достигнуты хорошие результаты, надо понимать, что создание единых требований к светодиодной технике – дело не одного года.

Чтобы понять, в чем сложность создания подобной документации, следует ознакомиться с технологией производства.

Рассмотрим поэтапно процесс создания светодиодов.

1) Выращивание кристалла.
Здесь главную роль играет такой процесс, как металлоорганическая эпитаксия. Эпитаксия – это ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксиальный рост полупроводников (а светодиод – это именно полупроводник) осуществляется методом термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы. Для такого процесса необходимы особо чистые газы, что предусмотрено в современных установках. Толщины выращиваемых слоев тщательно контролируются. Важно обеспечить однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста доходит до полутора миллионов евро. А процесс наладки получения высококачественных материалов для будущих светодиодов занимает несколько лет.

2) Создание чипа.
На этом этапе имеют место такие процессы, как травление, создание контактов, резка. Весь этот комплекс получил название «планарная обработка пленок». Пленка, выращенная на одной подложке, разделяется на несколько тысяч чипов.

3) Биннирование.
Биннирование (сортировка чипов) – особенно важный процесс производства светодиодов, о котором несправедливо часто забывают упоминать в литературе. Дело в том, что при производстве любой продукции должны соблюдаться некие критерии отбора. Но на вышеописанных стадиях производства светодиода невозможно добиться абсолютного сходства изделий по его характеристикам. Изготовленные чипы изначально имеют характеристики, различающиеся в некотором диапазоне. Чипы сортируют на группы (бины). В каждой группе определённый параметр варьируется в определённых пределах.

Сортировка происходит по:

• длине волны максимума излучения;
• напряжению;
• световому потоку (или осевой силе света) и т. д.

Биннирование, как способ градации светодиодной продукции, находит применение на производстве и, следовательно, в наименовании поставляемой продукции. Оба эти факта делают применение светодиодов доступным для широкого круга пользователей.

4) Создание светодиода.
Создание непосредственно светодиода – это заключительный этап технологической цепочки. Создается корпус будущего источника света, монтируются выводы, подбирается люминофор (если он необходим). Но особо стоит отметить такую важную часть, как оптическую систему (а именно, изготовление линз). Линзы для светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы, силикона или пластика. К ним предъявляется широкий спектр требований, т.к. оптическая система светодиода играет большую роль (направляет световой поток светодиода в нужный телесный угол).

Линзы должны:

• быть максимально прозрачными;
• пропускать свет во всем оптическом диапазоне;
• обладать хорошей клейкостью материала к материалу печатной платы;
• быть температура стабильными;
• обладать высоким сроком службы (что характеризуется к воздействию излучения кристалла и химическому воздействию люминофора, если таковой применен).

Благодаря большому количеству положительных качеств (малой потребляемой мощностью, отсутствию ртути, низкому напряжению питания, высокой надежности, малым габаритам и т.д.), на основе светодиодов создаются разнообразные и высококачественные осветительные светодиодные приборы. Можно долго перечислять различные типы светодиодных светильников: это и прожекторы, и линейные светодиодные светильники, и светильники общего или специального назначения. Однозначно можно сказать, что светодиоды – это динамично развивающиеся источники света. А технология производства светодиодов – сфера деятельности высококлассных мировых специалистов, способных достигать все более высоких результатов.

Социальные кнопки для Joomla

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
• Виды светодиодов в зависимости от химического состава полупроводников
• Типоразмеры SMD светодиодов
  • SMD 3528
  • SMD 5050
  • SMD 5630
  • SMD 5730
  • SMD 3014
  • SMD 2835
• Энергетическая эффективность различных светодиодов
• Подключение светодиодов в электрическую цепь
• Преимущества светодиодов по сравнению с другими источниками света
• Применение светодиодов

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!

светодиодов | Определение, источники света, типы и факты

светодиоды

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Сюдзи Накамура Ник Холоньяк-младший Акасаки Исаму Амано Хироси

Похожие темы:

полупроводниковый диод электрооптический передатчик

Просмотреть весь связанный контент →

Светодиод , полностью светоизлучающий диод , в электронике полупроводниковое устройство, излучающее инфракрасный или видимый свет при зарядке электрическим током. Видимые светодиоды используются во многих электронных устройствах в качестве контрольных ламп, в автомобилях в качестве задних оконных и стоп-сигналов, а также на рекламных щитах и ​​вывесках в качестве буквенно-цифровых дисплеев или даже полноцветных плакатов. Инфракрасные светодиоды используются в автофокусных камерах и телевизионных пультах дистанционного управления, а также в качестве источников света в волоконно-оптических телекоммуникационных системах.

Известная лампочка излучает свет посредством накаливания, явления, при котором нагрев нити накала электрическим током заставляет провод испускать фотоны, основные энергетические пакеты света. Светодиоды работают за счет электролюминесценции, явления, при котором испускание фотонов вызвано электронным возбуждением материала. Материалом, наиболее часто используемым в светодиодах, является арсенид галлия, хотя существует множество вариаций этого основного соединения, например, арсенид алюминия-галлия или фосфид алюминия-галлия-индия. Эти соединения относятся к так называемой III-V группе полупроводников, т. е. соединениям, состоящим из элементов, перечисленных в столбцах III и V периодической таблицы. Изменяя точный состав полупроводника, можно изменить длину волны (и, следовательно, цвет) излучаемого света. Излучение светодиодов обычно находится в видимой части спектра (т. е. с длинами волн от 0,4 до 0,7 мкм) или в ближней инфракрасной области (с длинами волн от 0,7 до 2,0 мкм). Яркость света, наблюдаемого от светодиода, зависит от мощности, излучаемой светодиодом, и от относительной чувствительности глаза на излучаемой длине волны. Максимальная чувствительность достигается при 0,555 мкм, что находится в желто-оранжевой и зеленой области. Прикладываемое напряжение в большинстве светодиодов довольно низкое, в районе 2,0 вольт; ток зависит от приложения и колеблется от нескольких миллиампер до нескольких сотен миллиампер.

Термин диод относится к двухконтактной структуре светоизлучающего устройства. Например, в фонарике нить накала соединена с батареей через две клеммы, одна из которых (анод) несет отрицательный электрический заряд, а другая (катод) несет положительный заряд. В светодиодах, как и в других полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы, «выводы» на самом деле представляют собой два полупроводниковых материала с разным составом и электронными свойствами, соединенные вместе, чтобы сформировать переход. В одном материале (негативе или n -типа, полупроводник) носителями заряда являются электроны, а в другом (положительный, или p -тип, полупроводник) носителями заряда являются «дырки», созданные отсутствием электронов. Под действием электрического поля (создаваемого батареей, например, при включении светодиода) ток может течь через переход p — n , обеспечивая электронное возбуждение, которое заставляет материал светиться.

В типичной светодиодной конструкции купол из прозрачной эпоксидной смолы служит конструктивным элементом, скрепляющим выводную рамку, линзой для фокусировки света и согласующим показателем преломления, позволяющим большему количеству света выходить из светодиодного чипа. Чип, обычно размером 250 × 250 × 250 микрометров, устанавливается в отражающую чашку, выполненную в выводной рамке. p — n — слои GaP:N представляют собой азот, добавленный к фосфиду галлия для получения зеленого свечения; слои GaAsP:N типа p — n представляют собой азот, добавленный к фосфиду арсенида галлия для получения оранжевого и желтого свечения; а слой GaP:Zn,O типа p представляет собой добавление цинка и кислорода к фосфиду галлия для получения красного свечения. Двумя дальнейшими усовершенствованиями, разработанными в 1990-х годах, являются светодиоды на основе фосфида алюминия-галлия-индия, которые эффективно излучают свет от зеленого до красно-оранжевого, а также светодиоды синего излучения на основе карбида кремния или нитрида галлия. Синие светодиоды можно комбинировать в кластере с другими светодиодами для получения всех цветов, включая белый, для полноцветных движущихся дисплеев.

Любой светодиод можно использовать в качестве источника света для оптоволоконной системы передачи на короткие расстояния, то есть на расстояние менее 100 метров (330 футов). Однако для волоконной оптики дальнего действия свойства излучения источника света выбираются в соответствии со свойствами передачи оптического волокна, и в этом случае инфракрасные светодиоды лучше подходят, чем светодиоды видимого света. Стеклянные оптические волокна имеют наименьшие потери при передаче в инфракрасном диапазоне на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Чтобы соответствовать этим свойствам пропускания, используются светодиоды, изготовленные из фосфида арсенида галлия и индия, нанесенного на подложку из фосфида индия. Точный состав материала можно отрегулировать, чтобы излучать энергию точно на 1,3 или 1,55 микрометра.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и дополнена Адамом Августином.

Ник Холоньяк-младший | Биография, LED и факты

Дата рождения:

3 ноября 1928 г. Иллинойс

Умер:

18 сентября 2022 г. (93 года) Урбана Иллинойс

Предметы изучения:

ВЕЛ диод

Просмотреть весь связанный контент →

Ник Холоньяк-младший (родился 3 ноября 1928 г., Зейглер, Иллинойс, США — умер 18 сентября 2022 г., Урбана, Иллинойс), американский инженер, известный своей новаторской работой со светом. -излучающие диоды (светодиоды), в частности создание первого видимого светодиода.

Холоньяк был сыном иммигрантов с территории нынешней Украины. Он изучал электротехнику в Иллинойском университете в Урбана-Шампейн, где получил степень бакалавра наук. (1950), М.С. (1951) и доктор философии. (1954) градусов. Он был первым аспирантом двукратного лауреата Нобелевской премии Джона Бардина, соавтора транзистора.

После того, как Холоньяк проработал год (1954–55) в Bell Telephone Laboratories и два года (1955–57) в армии, он присоединился к лаборатории электроники General Electric (GE) в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Несколько групп GE работали в области оптоэлектроники, преобразования электрического тока в свет. Коллега из GE Роберт Н. Холл разработал лазер с использованием полупроводникового диода (полупроводникового устройства с положительным и отрицательным электродами, которое может служить выпрямителем, то есть преобразователем переменного тока в постоянный). Лазер Холла излучал только инфракрасное излучение, лежащее за пределами человеческого зрения. Холоньяк решил сделать диодный прибор, излучающий видимый свет. Используя полупроводниковый материал фосфид арсенида галлия (GaAsP) и метод стимулированного излучения, в 1962 Холоньяку удалось запустить первое практическое светодиодное устройство видимого диапазона. Устройство Холоньяка излучало красный свет. После разработки светодиодов, излучающих зеленый и синий свет (в 1970-х и 90-х годах соответственно), стали возможными светодиоды, излучающие белый свет, что произвело революцию в индустрии освещения. Среди других его работ для GE в 1959 году Холоньяк первым изготовил кремниевые туннельные диоды и первым наблюдал туннелирование с помощью фононов.

В 1963 году Холоньяк покинул GE, чтобы стать профессором Иллинойского университета, где в 19В 93 году он был назначен на кафедру электротехники, вычислительной техники и физики Джона Бардина. В Иллинойсе Холоньяк впервые применил ряд сплавов в диодах, а в 1977 году он и его студент изготовили первый лазерный диод с квантовыми ямами. Холоньяк ушел в отставку с должности почетного профессора в 2013 году.

Холоньяк был членом Национальной инженерной академии и Национальной академии наук, членом Американской академии искусств и наук, членом Американского физического общества, иностранным членом Российской академии наук и пожизненным членом Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).