Как делают светодиоды: Как делают светодиоды — ООО «УК Энерготехсервис»

Производство светодиодов в России: технологии, фирмы

На рынке осветительных приборов светодиоды стремительно набирают популярность. Ведущие мировые компании по производству led освещения держат ценовую планку на высоком уровне, что делает их продукцию достаточно дорогой для российских покупателей. Производство светодиодов в России только набирает обороты. Давайте разберемся, как производят светодиоды, посмотрим технологии производства и фирмы, которые занимаются этим.

Особенности создания

Каждая компания скрывает технологический процесс за занавесом коммерческой тайны. Поэтому раскрыть особенности создания в полной мере не получиться, однако попробуем дать общие понятия производства. Весь процесс разделяется на этапы. Давайте посмотрим, что это за этапы и разберем каждый из них более подробно.

На этом этапе берётся подложка из кристалла (чаще всего используют искусственный сапфир), помещается в специальную герметичную камеру.

Камеру заполняют газовыми смесями нужного состава и начинают нагревать.

Этот процесс называется пиролиз. В результате, на кристаллической подложке происходит наращивание кристаллической плёнки толщиной в несколько микрон.

Далее проводят напыление контактов на плёнку и её последующее разделение на тысячи отдельных чипов.

Сортировка чипов по категориям

Этот этап называют сортировкой, так как созданные ранее чипы из одной подложки имеют неоднородную структуру. Чипы различаются по более чем 150 параметрам, но существуют три основных признака разделения:

  • по максимальной длине волны излучения;
  • по напряжению и мощности.

Чипы разделяют по группам с наиболее подходящими параметрами. Это позволяет добиться максимального сходства изготовленной продукции.

Создание светодиодной продукции

Происходит подбор специальных оптических линз из силикона, пластика или стекла. По усмотрению может добавляться люминофор. Проводится сборка светодиода и проверка работоспособности каждого светодиода на специальных испытательных стендах.Создание светодиодной продукции

Более подробную информацию о производстве светодиодов, сортировке на категории и создании продукции на основе светодиодов Вы можете просмотреть в этом видео:

Производство в России

Несмотря на то, что российские технологии отстают от европейских, производство светодиодной продукции распространяется и по регионам России.

Светодиодную отрасль в России характеризуют по двум пунктам:

  • предприятия, которые осуществляют полный цикл производства светодиодов;
  • предприятия, выполняющие сборку светодиодов из импортных чипов и сырья.

Так, как в России светодиодная отрасль только начинает набирать обороты, предприятия с полным циклом производства светодиодов являются достаточно редкими.  В основном, российские производители led продукции работают с импортированным сырьём.

Известные производители светодиодов

Мировая светодиодная отрасль, как и любая другая, имеет своих лидеров. Среди компаний занимающих ведущие позиции в изготовлении и сбыте светодиодной продукции можно выделить пять самых популярных:

  1. Nichia Corporation – компания из Японии. Продаёт люминофоры различных цветов. Также разрабатывает линейку лазерных светоизлучающих диодов.
  2. Samsung LED – южнокорейский производитель led продукции. Основная сфера деятельности: изготовление и продажа подложек из искусственного сапфира. Занимается научными разработками и исследованиями.
  3. Osram Opto Semiconductors – ведущая немецкая компания, занимается изготовлением полупроводников. Основным продуктом импорта компании являются светодиоды.
  4. LG Innotek – занимается разработкой led компонентов. На основе компонентов компании LG создаются оптические датчики и лазерные светоизлучающие диоды.
  5. Seoul Semiconductor – корейская компания, что специализируется на производстве led устройств. Продуктом производства являются корпуса для светоизлучающих диодов.

Российские производители светодиодной продукции

Все компании на российском рынке светодиодной индустрии делятся на два типа:

Компании с полным циклом производства.

К ним относятся:

  • «Оптоган» г. Санкт-Петербург;
  • ЗАО «Светлана-ЛЕД» г. Санкт-Петербург;
  • ЗАО «Планета-СИД» г. Великий Новгород.

Компании с частичным использованием привозного сырья.

К ним относятся:

  • ООО ТД «Фокус» Фрязино, Московская обл.;
  • МГК «Световые Технологии» г. Рязань;
  • «Планар Светотехника» г. Санкт-Петербург.

Российский рынок только проходит этап формирования, поэтому большая цена оборудования для производства светодиодов замедляет развитие данной отрасли.

Заключение

Производство светодиодов в России только на этапе формирования и развития, существующие фирмы можно пересчитать на пальцах. Большая часть сырья закупается за границей. Но, не смотря ни на что, российские компании стремительно развиваются в данном направлении и в скором времени составят достойную конкуренцию зарубежным производителям.

Всё о светодиоде

Что такое светодиод

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

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. Конструкция мощного современного светодиода схематически изображена на рисунке.

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, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти 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.

Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В 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 140градусов. 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.

Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

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.

Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. 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 50 — 100тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости.

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, 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.

Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. 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.

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 сверхярких, 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.

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 светодиоды еще недостаточно распространены является пока еще высокая стоимость светодиодов.

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 газоразрядных 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%!

Работа при низких температурах

Благодаря полупроводниковой природе светодиодов их яркость обратно пропорциональна температуре окружающей среды, что делает их применение особенно актуальным в наших климатических условиях. Диапазон температуры эксплуатации светодиодов от -50…+60 град С.

Стойкость к механическим воздействиям

Отсутствие стеклянных деталей, нитей накаливание делает светодиоды устойчивыми к механическим воздействиям, ударам и вибрации.

Высокая светоотдача

Яркость светодиодов сравнима с неоном. Для сравнения: обычная лампа накаливания дает до 10 люмен на 1 Вт потребленной энергии, светодиоды — 70 люмен и выше.Сверхяркие светодиоды обеспечивают сильный световой поток для изделий такого класса.

Чистота цвета

Возможность получения любого цвета и оттенка излучения светодиодов: например,чистый синий, чистый белый, оранжевый, сине-зеленый и десятки других чистых цветов и оттенков — чего нельзя получить, используя лампы накаливания.

Высокий уровень безопасности

Обеспечивается малым тепловыделением светодиодов и низким питающим напряжением.

Простой электромонтаж

А также легкое крепление к любой поверхности существенно облегчают монтаж и ремонт, и соответственно расходы связанные с ними.

Безинерционность

Возможность управления через контроллеры, диммеры, в том числе с плавным изменением яркости и цвета свечения. Управляя интенсивностью и режимом свечения можно достичь фантастического эффекта «живого света».

Замена существующих источников света

Светотехнические и электрические параметры модулей позволяют легко заменить любые ранее установленные источники света и значительно сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание.

Экологическая и пожарная безопасность

Не содержат вредных веществ, побочного ультрафиолетового или инфракрасного излучения и почти не нагреваются.

Недостатки

Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость — главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и газоразрядными лампами различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 — 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Строение SMD светодиода и его разновидности

Каждый производитель вносит свои корректировки в структуру светодиода: чтобы улучшить его производительность или снизить его цену. Последнее часто ведёт к потере в светоотдаче или ресурсе работы. 

Производители светодиодов

В продукции на полках магазинов светотехники чаще всего стоят светодиоды китайского производства. Несмотря на плохую репутацию китайских товаров, многие заводы успели заработать хорошую репутацию в производстве светодиодов. Они работают не хуже продукции таких известных производителей, как Samsung, Cree, Osram или Philips, а в цене намного более доступны. 

Например, китайский завод San`an Optoelectronics Co., Ltd. является одним из лидеров по производству светодиодов и светодиодной продукции в мире, многие украинские импортёры используют их продукцию в своих светильниках и лампах. 

 

Из не китайских производителей лидирует тайваньский завод Epistar. Его продукция дороже китайской, однако производительность светодиодов намного выше. Поскольку Epistar специализируется исключительно на светодиодах, их продукция постоянно совершенствуется. 

Однако, нередко встречаются и светодиоды малоизвестных китайских производителей, которые копируют светодиоды известных брендов или производят собственные, указывая завышенные характеристики. 

Узнать какие именно светодиоды стоят в лампочке или светильнике невооруженным глазом невозможно, но поддельные брендовые светодиоды и дешёвые китайские всегда отличаются производительностью и ресурсом работы.

Сравнение светодиодов разных производителей

Чтобы наглядно показать различие между светодиодами разных производителей, мы отправили на тестирование в фотометрическую лабораторию три прожектора с одинаковыми высокомощными светодиодами SMD2835, но эти светодиоды были произведены на разных заводах. 

В прожекторе Vestum используются светодиоды тайванского завода Epistar, а в прожекторе Lectris – китайского Sanan. Производитель светодиодов в прожекторе Vargo неизвестен. 

Для светодиода типа SMD2835 характерен световой поток от 55 до 65 Лм. Протестировав прожекторы, мы получили реальный показатель их светоотдачи, а разделив его на количество светодиодов в прожекторе, узнали сколько света даёт каждый из них. 

  Vestum Lectris  Vargo
Заявленный световой поток, Лм 900 900 900
Измеренный световой поток, Лм 892 720 436.5
Количество диодов, шт 13 13 12
Производитель светодиодов Epistar Sanan Unknown
Световой поток одного диода, Лм 68,6 55,4 36,3
Цена*, $ 4.13 2.94 2.95

*Указана розничная цена в долларах, в справочных целях

По результатам измерений можем увидеть, что светодиоды Epistar показывают самый лучший результат среди выбранных. Световой поток одного светодиода немного превышает диапазон в спецификации, однако отклонение находится в пределах допустимых 10%. Светоотдача светодиода Sanan находится на нижней границе диапазона, указанного в спецификации, но всё ещё ей соответствует. Неизвестные светодиоды из прожектора Vargo дают в два раза меньше света, чем должны, что также заметно по общему показателю светоотдачи этого прожектора.

Можем сделать вывод, что светодиоды Epistar наиболее производительные по результатам замеров. Sanan соответствуют спецификации, а неизвестные светодиоды показали себя хуже всего.

Управление светодиодным освещением — Умный Дом в Санкт-Петербурге

«Умный дом» позволяет значительно расширить диапазон возможностей для управления освещением. Это достигается по двум направлениям:

  • Возможность управления с любых панелей и выключателей;
  • Использование единого мобильного интерфейса;
  • Использование сценариев.

Панели и выключатели

В системе «Умный дом» можно управлять любыми типами светильников с единых клавишных или сенсорных панелей, а также с обычных выключателей. Вам не нужны особенные диммеры для светодиодов – управление яркостью светодиодов возможно с любой клавишной панели, в том числе и с той, которая одновременно управляет люстрой с галогеновыми лампами или лампами накаливания. Также стоит отметить, что одна клавиша управляющего устройства может включать любое количество светильников «умного» помещения, в том числе светодиодной ленты. Благодаря этому в интерьере остается ровно столько панелей и выключателей, сколько требуется из соображений красоты и удобства — технические ограничения исчезают, дизайнеру не приходится придумывать место для еще одного или двух электроустановочных изделий.

В системе «Умный дом» все это возможно за счет разделения управляющих сигналов от выключателей и подачи нагрузки на светильники. Выключатель дает сигнал логическим контроллерам, а они в свою очередь подают необходимое напряжение на любые люстры, управляют светодиодами по протоколу DMX или DALI.
Также стоит отметить возможность управления «умным» освещением с настенных панелей с сенсорным экраном. На такой панели можно выбрать любой оттенок подсветки, просто коснувшись нужного цвета на большом и удобном цветовом спектре. Особенностью интерфейса панели с экраном является «обратная связь» — возможность отображать на плане комнаты или квартиры все включенные в данный момент светильники. В качестве такой панели может выступать iPad, установленной в настенной рамке.

Мобильный интерфейс

Интерфейс настенных сенсорных панелей повторяет интерфейс мобильного приложения. Мобильный интерфейс позволяет с любого устройства: компьютера, планшета, смартфона – управлять любым освещением, с его помощью задаются абсолютно любые параметры.

Вы можете управлять своей многоцветной светодиодной подсветкой гораздо проще, чем лампочками с собственным приложением;
Вы видите, какие светильники включены, а какие – нет, и можете их одним кликом включить или выключить.
Вам не нужно привыкать к новым приложениям: интерфейс такой же, как на управляющих панелях в Вашем доме. К этому интерфейсу Вы очень быстро привыкаете, так в нем собраны все функции Вашего дома, и Вы постоянно его используете.

Сценарии

Определенные сценарии (последовательности и комбинации), которыми программируется цвет или яркость в «умном доме», могут запускаться вручную, по расписанию или по событию. В последнем случае управление освещением осуществляется в связке с датчиками движения, присутствия, освещенности.

При использовании, например, восьмиклавишных панелей управления, на каждую клавишу можно задать свой цвет, а на панелях типа Busch-Prion, Gira G1 назначить несколько любимых цветов в отдельном пункте меню.

Благодаря программному комплексу iRidium возможно гибкое управление освещением и его настройка. Это делается как в разрезе отдельных приборов и комнат «умного дома», так и в целом по всему зданию. Наличие напольной светодиодной подсветки, яркость и цвет светильников настраивается произвольно, причем с помощью цветового круга (Color Picker) можно в одно касание подобрать любой понравившийся оттенок. При необходимости ряд таких настроек, отвечающих потребностям конкретной ситуации «умного дома», записывается в сценарий, обозначенный, например, как «Вечер – освещенность 70%» или «Утро – освещенность 30%».

В «умном доме» есть возможность задать алгоритм плавных переливов освещения или интерьерной подсветки; включить в один сценарий комбинацию параметров нескольких светодиодных лент и, таким образом, выгодно подчеркнуть особенности интерьера дома.

Независимо от богатства фантазии владельца управлять всем массивом светодиодов «умного дома» всегда легко. Будь-то романтический ужин при свечах, обыденная рабочая обстановка, или вечеринка, с периодически меняющимися вариантами освещения – отлаженная система никогда не потребует к себе излишнего внимания. Достаточно одним нажатием клавиши активировать необходимый сценарий и дальше заниматься своим делом.

Такой внушительный функционал наряду с удобством и простотой управления никак не возможен с использованием обычной «неинтеллектуальной» проводки. На сегодняшний день достойной альтернативы, которая могла бы заменить управление освещением в «умном доме» – нет. Нет и необходимости в такой замене. Ведь все и так работает как нельзя лучше.

В Гусеве открыли завод по производству светодиодов | Новости Калининграда

Как делают светодиоды? Теперь это можно узнать на одном из заводов в Гусеве.  Там сегодня открыли линию производства этих миниатюрных ламп.  Светодиодные ленты там начали изготавливать еще в январе этого года. Но, как говорят, им уже есть, чем похвастаться. Своими успехами руководство предприятия поделилось с губернатором.

«Смесь из силикона и люминофора. На рамку уже со смонтированными кристаллами, с проволокой, той, что я уже показывал, наносится каждый юнит. На каждую микросхемку индивидуально», — рассказал о создании светодиодов   главный технолог завода Константин Белов

Жидкость – ту самую, которая светится, разливают по ячейкам в специальном аппарате. Главный технолог завода Константин Белов рассказывает — эти светодиоды будут с теплым желтым светом.   

Для того, чтобы проверить, работают они или нет, существует специальная установка. Каждую частичку подают по барабану, и здесь уже он просвечивает каждый элемент. За один час такая машина проверяет на работоспособность больше 20 тысяч светодиодов. И, как признаются специалисты, этот аппарат сейчас работает не в полную мощность. Он может обрабатывать за час до 35 тысяч светодиодов.

За год здесь могут выпускать почти 150 миллионов светодиодов. Объем продукции планируют увеличивать ежегодно. Например, к концу 2022-го здесь планируют выпускать почти в три раза больше световых частиц. Главное, чтобы было кому эту продукцию сбывать. 

«Здесь как раз сегодня собрались лидеры отрасли светотехники страны, которые, как мы надеемся, будут одними из основных покупателей светодиодов на этом предприятии. У этих партнеров достаточно развитые собственные предприятия, которые сегодня, используя китайскую элементную базу, осваивают большинство проектов, которые есть в стране», — рассказал президент холдинга GS Group Андрей Ткаченко.

Светодиоды сегодня используются практически везде: в автомобилях и квартирах, бытовой технике и рекламных конструкциях. В Калининградской области на светодиодное освещение улиц перешли уже почти все города, кроме областного центра.

«У нас практически все города, да даже не практически все, а все города муниципальные оснащены энергосетью со светодиодами. Мы двигаемся постепенно в небольшие поселки. Но там экономика не столь значима, поэтому это немножко сложнее», — рассказал губернатор Антон Алиханов.  

Также в планах руководства завода выходить на международный рынок. Они утверждают – гусевские светодиоды не уступают по качеству зарубежным.

«Мы должны смотреть в сторону экспортного потенциала. Почему, потому что, если продукцию покупают за рубежом – это признак ее качества. Соответствие характеристикам, техническим показателям и остальным. А также подтверждение твоих собственных усилий, твоих заслуг, компетенций, квалификаций», — сказал заместитель министра промышленности и торговли РФ Василий Шпак.

Сегодня здесь работает 1,5 тысячи человек. По мнению чиновников, именно такой бизнес должен вдохновлять молодых предпринимателей на новые открытия.

Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества Текст научной статьи по специальности «Физика»

Компоненты и технологии, № 5’2005 Компоненты

Проблемы, теория и реальность светодиодов

для современных систем отображения информации высшего качества

Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов стало широкое использование этих приборов в системах отображения информации и световой сигнализации. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и возможность получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве источников света для этих устройств.

Сергей Никифоров

[email protected]

Реализация таких возможностей в этой области применения светодиодов достигается решением ряда технических задач, возникающих в процессе разработки конструкции диода. Анализу проблем конструкций светодиодов и кристаллов, оценке результатов собственных исследований характеристик и прогнозу тенденций повышения качества светодиодов посвящена данная статья.

Полупроводниковые источники света

Когда-то задача высечь огонь из чего бы то ни было была самой актуальной для человечества. На определенном этапе огню, полученному с помощью кремния, «было поручено» большое количество функций, одной из которых является его важная составляющая — свет. По-разному решалась эта задача в прежние века, но здесь речь пойдет о самом современном способе получения света из камня.

Основой для построения современных полупроводниковых источников света служит излучающий кванты света р-п-переход. Существует множество вариантов его создания в полупроводнике, но мы остановимся только на тех структурах, которые способны излучать кванты электромагнитного излучения при протекании через них электрического тока. Это гетероструктуры с широкозонными р-п-перехо-дами, ширина запрещенной зоны которых более 1,9 эВ. В настоящее время созданы структуры, способные излучать во всем видимом диапазоне, в ближнем ИК и ультрафиолете. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и возможность получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве различных источников света.

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25-30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматическо-го излучения.

На основе вышеперечисленных полупроводниковых кристаллов с излучающими р-п-переходами создано огромное множество различных светоизлучающих диодов.

Конструкция светодиода определяет направление, пространственное распределение, интенсивность излучения, электрические, тепловые, энергетические и другие характеристики излучения от полупроводникового кристалла. И конечно, взаимное влияние всех этих параметров друг на друга. Детальное изучение информации о светодиодах различных конструкций и назначения и от различных производителей, сравнение ее с полученной в условиях лаборатории позволило сделать некоторые важные выводы о качестве и возможностях применения светодиодов.

В последнее время светоизлучающие диоды все больше претендуют на использование их в освещении, художественной подсветке, сигнальной технике. Все это стало возможным благодаря достаточно быстрому росту энергетических показателей, надежности и долговечности квазимонохроматических источников излучения. Малое потребление электрической энергии, легкость формирования диаграммы направленности с помощью различной оптики, простота управления и, самое важное, специфическое восприятие излучения глазом делают светодиоды незаменимыми для создания полноцветных экранов,

Компоненты и технологии, № 5’2005

вывесок и других средств представления информации в виде динамического изображения. Однако это порождает особые требования к характеристикам светодиодов. Исследования, оценки и сравнения этих характеристик и стали предметом обсуждения в данной статье.

Теория светотехнических и электрических характеристик современных светодиодов и ее связь со спецификациями производителей

Самой распространенной и обобщающей единицей, характеризующей энергетические параметры светодиода, является осевая сила света !у[с^. Однако эта величина абсолютно нечитаема, если не указать угол излучения в по некоторому уровню от 1гтах. Обычно говорится об угле излучения по уровню половины максимальной силы света— в()51утсх, хотя иногда указывают и силу света по уровню

0,11утах — ®о,Пгтах. Совокупность двух параметров — угла излучения и осевой силы света — уже дает представление (хотя и очень грубое), в каком направлении распространяется и какой будет сила света при различных углах наблюдения. Для более точного определения величины силы света при любом угле наблюдения обычно приводится двухкоординатная плоская зависимость 1у(&), часто называемая индикатрисой излучения (рис. 1).

Важной энергетической характеристикой излучения светодиода является световой поток Р(1т), определяющийся как интеграл всей энергии, заключенной под пространственной индикатрисой излучения [1]. Именно этот параметр производители светодиодов часто указывают в спецификациях. Особенно это касается мощных приборов с большим углом излучения и равномерным пространственным распределением, стремящимся к ламбертовскому. Однако даже в этом случае невозможно достоверно оценить распределение светового потока внутри диаграммы и, соответственно, правильно оценить силу света светодиода. Подавляющее большинство простых математических пересчетов единиц, которыми пользуются потребители светодиодной продукции, оказываются абсолютно неверными и приводят к большой ошибке в проектировании энергетических характеристик устройств на светодиодах. Особенно это заметно при попытках пересчета несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов. Поэтому стоит остановиться на некоторых методах определения светового потока и связи его с другими фотометрическими единицами, потому как только непосредственным измерением этой величины можно с большой точностью получить ее значение.

Методы определения светового потока на основе малых сферических интеграторов (радиус сферы составляет порядка 300-400 мм) широко используются в электронной промышленности. При этом светодиод располагается во входном окне сферы. При измерениях светодиодов с разным пространственным распределением силы излучения можно получить

большие ошибки, так как геометрия распределения освещенности на внутренней поверхности интегратора будет различной.

Классический подход к измерениям полного светового потока с помощью сферического интегратора — это размещение источника излучения в центре сферы.

Но даже в этом случае связь с эталоном люмена, погрешности, связанные с неравномерностью спектральных и зонных характеристик внутренней поверхности сферы, требуют особого внимания. Поэтому наиболее перспективным с точки зрения точности и информативности является метод пространственного сканирования силы света — гониофотометри-ческий метод. Используемые для этих целей приборы — гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования.х>) и последующим вычислением среднего значения Б [2].

,-е„.

Рп

/у(0П)й?0П

(1)

е„.

(2)

Распределение светового потока внутри диаграммы направленности позволяет судить о том, какая его часть попадет к наблюдателю в зависимости от угла его зрения. Следует напомнить, что МКО 1931 ггода регламентирует так называемого «стандартного колориметрического наблюдателя», угол зрения которого определен в 1 градус (рис. 2). Это обстоятельство учитывается при выборе данного параметра светоизлучающего диода в зависимости от его назначения. Однако часто пользуются лишь индикатрисой излучения, что не всегда верно при расчетах восприятия изображения, необходимой его интенсивности на разных расстояниях от источника и размеров самого источника излучения.

Применительно к экрану, табло или бегущей строке как к источнику излучения совокупности светодиодов, площадью которого нельзя пренебречь по отношению к расстоянию I до наблюдателя, не выполняется закон «обратных квадратов» [3]; используется другая единица, с помощью которой характери-

Компоненты и технологии, № 5’2005

зуется энергетика излучения такого протяженного источника — яркость У [кд/м2].

А=/

(3)

Яркость определяется как сила света источника с произвольным распределением излучения по отношению к площади его излучающей поверхности [4].

Утах =

(4)

Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (1т) к потребляемой электрической мощности (^., а КПД колеблется от 9-16% в приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов (ОаЫ, 1пхОа1-хЫ, А1хОа1-хЫ) и до 25-55% — у светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов (1пуА1хОаЬх_уР).

Помимо энергетических, светодиоды ха-растеризуются колориметрическими характеристиками. Знание этих параметров особенно важно при формировании правильной цветопередачи изображения в любом устройстве отображения информации, при использовании в светосигнальной технике, при проектировании оттенков подсветки в архитектуре и т. д.

МКО 1931 года установила трехкоординатную ХУ/-систему обозначения цвета любого источника излучения (рис. 3). Как уже отмечалось, светодиоды являются достаточно узкополосными (квазимонохроматическими) излучателями, полуширина спектров которых составляет всего 15-30 нм, что соответствует средней тепловой энергии электронов, поэтому координаты цветности их излучения лежат практически на линии «чистых» цветов локуса МКО 1931 года.т, получаемая как результат пересечения прямой, проходящей через точку равноэнергетического источника типа «Е» и точку с координатами цветности данного светодиода и локуса МКО 1931 г. Именно ее ука-

зывают в технических характеристиках на светодиоды монохроматического излучения. Лишь отдельные фирмы, и ШСНІА в их числе, указывают координаты цветности, что, по сути, правильнее. Но для устройств отображения информации, где важность цветопередачи изображения имеет очень высокий статус, этих характеристик зачастую оказывается недостаточно. Поэтому разработчики пользуются, как правило, спектральными характеристиками светодиодов, преобразования которых могут позволить получить ряд параметров спектрального распределения излучения, позволяющих детально оценить возможность использования конкретного светодиода в формировании необходимого оттенка или гаммы цветов. Спектр излучения характеризуется, помимо указанных, такими характеристиками, как центральная Хс и максимальная Хтах длины волн, полуширина спектра Х1/2, интегральный коэффициент К [Ьш/МЪр^ [5].

-360

К=683%

Е(1) X Щ)Ок

780

•360

Е{Х)(Гк

(5)

•> 780

Здесь Е(Х) — относительное спектральное распределение светодиода, У(Х) — относительная спектральная световая эффективность.

Так, например, для получения высококачественного изображения на светодиодном экране, работающем по схеме формирования белого из трех основных цветов, — ИОБ необходимо, чтобы полуширина спектра источника каждого цвета была минимальна, что обеспечит высокую чистоту цвета поля изображения. от температуры окружающей среды, люмен-амперные характеристики (зависимости интенсивности излучения от прямого тока через светодиод). По этим параметрам можно определить необходимые характеристики источников питания проектируемых устройств и рассчитать режимы оконечных устройств коммутации, нагрузкой которых будут используемые светодиоды.

Следует отметить, что все описанные выше характеристики светоизлучающих диодов находятся в непосредственной зависимости друг от друга, поэтому, как правило, лишь их со-

Н,шА

АПпСаР 1пОаЫ

Ш,У

Рис.4. Ти 0 пичные п о ш е 5 1 пьт-ампе о е « £ 2 актеристи 5 ки свето 3 диодов ,5 4 5 5 5

Компоненты и технологии, № 5’2005

300

270

240

210

180

150

120

90

60

30

И Л 11,0 И т РсІів,ггЛ№

540

480

420

360

300

240

180

120

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 МдпАЮО

Рис. от прямого тока I? и динамическое сопротивление ЯЛп светодиодов. Зеленым цветом — на основе InGаN/AlGаN/GаN, красным — на основе AlInGaP/GaP

вокупность позволяет правильно судить о тех или иных параметрах светодиода. Однако наиболее точно определить соответствие заявленным производителем параметров светодиода, его качество и долговечность можно лишь проведя комплекс измерений и расчетов его характеристик.

Светодиодные глубины. Основы полупроводниковой оптоэлектроники

Если в кристалле полупроводника создан р-п-переход, то есть граница между областями с дырочной (р-) и электронной (п-) проводимостью, то при положительной полярности внешнего источника тока на контакте к р-обла-сти (и отрицательной — на контакте к п-обла-сти) потенциальный барьер в р-п-переходе понижается и электроны из п-области инжектируются в р-область, а дырки из р-области — в п-область. Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света Ну (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, тепловым колебаниям решетки (безызлучатель-ная рекомбинация). Вероятность излучатель-ной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных

Слой

распределения тока, Иі/Аи

п-контакт

Рис. 7. Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа InGaN/AlGaN/GaN на подложке из AІ2Oз. Показана активная область (область p-n-перехода) и расположение омических контактов.

р-СаЫ:Мд

гі-СаИЗі

Еу* ‘

Рис. 8. Энергетическая диаграмма p-n-гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении и/.

носителей в р- и п-областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. Но в обычных р-п-перехо-дах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины — среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители заряда, пока не рекомбинируют.

Задача ограничения активной области рекомбинации решена в конце 60-х годов Алфёровым и его сотрудниками. Были предложены и практически изготовлены гетероструктуры, сначала на основе ОаА8 и его твердых растворов типа А1СаА8, а затем и на основе других полупроводниковых соединений (рис. 7).

В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины.

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры (рис.. Толщину этого слоя й можно сделать очень малой, порядка сотен или даже десятков атомных слоев. Помимо потенциального барьера обычного р-п-перехо-да на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов ДЕс и дырок ДЕУ. Если приложить к переходу прямое

смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх — к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер ДЕс, дырки — на барьер ДЕУ, поэтому и те и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Применяемые материалы группы АШВУ имеют диапазон ширины запрещенной зоны от 1,9 до 3,5 эВ (рис. 9). Твердые растворы А1Са1пР на различных подложках излучают в диапазоне от 650 до 580 нм, структуры на основе ОаЫ, 1пОаЫ имеют наибольший квантовый выход в пределах 540-400 нм.

Рекомбинация электронно-дырочных пар в таких материалах происходит преимущественно с выделением кванта света. Энергия кванта Ну пропорциональна ширине запрещенной зоны Е1 — энергии, которую должен

Компоненты и технологии, № 5’2005

длина волны, нм

энергия фотонов, эВ

Рис. 9. Спектры электролюминесценции светодиодов

на основе гетероструктур InGаN/AlGаN/GаN (сплошные линии) и АНпОаР/ОаР (штриховые)

затратить заряд для прохода через эту зону. О вероятности излучательной рекомбинации в узкозонном слое говорит внутренний квантовый выход излучения П; (число излучаемых фотонов на одну электронно-дырочную пару). В гетероструктурах величина 1 теоретически может быть близка к 100%.

Некоторые особенности конструкции и параметров светодиодов для систем отображения информации

Несмотря на большое количество модификаций конструкций излучающих кристаллов, нельзя однозначно отдать предпочтение какой-либо одной. Если не говорить о качестве самого производства кристалла и соблюдения технологических процессов при их производстве, то выбор определяется, как правило, исходя из идеи построения оптической системы светодиода, на которую работает излучающий кристалл, и задачи, которую впоследствии должен решать этот светодиод.

В устройствах отображения информации светодиоды собраны в группы (кластеры) и не работают поодиночке (рис. 10).

Практически на всех режимах воспроизведения изображения в работе участвует подавляющее большинство светодиодов одновременно. И здесь самым важным условием выбора светодиодов для таких устройств является идентичность большого числа характеристик приборов всех используемых цветов (если

речь идет о полноцветных системах) одновременно. Иначе будет нарушено условие правильной цветопередачи и линейности яркости устройства в зависимости от угла обзора.

В настоящее время одной из самых передовых является конструкция светоизлучающего диода с применением овальных линз (рис. 11), формирующих пространственное распределение с существенной разницей в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В некоторых случаях для достижения такого эффекта и для обеспечения максимальной равномерности диаграммы в материал линзы локально или по всему объему вводится дис-пергатор. В результате получается достаточно рациональная конструкция: с одной стороны, широкий (как правило, 110 градусов по уровню 0,5) угол в горизонтальной плоскости дает возможность построить экран, наблюдаемый под большими углами в этой плоскости без искажений, с другой стороны, небольшой вертикальный (30-50 градусов по уровню 0,5) ограничивает бесполезное распространение светового потока в пространство, где нет наблюдения. Таким образом, весь световой поток от кристалла равномерно направляется на наблюдателя. Сложность в том, что распределение светового потока внутри диаграммы направленности светодиодов разного цвета свечения редко бывают одинаковыме. Хотя угловые характеристики по уровню 0,5, указываемые в спецификациях, совпадают. Это связано с особенностью конструкций кристаллов, их геометрическими

размерами, правильно подобранной оптикой, процентным содержанием диспергатора в материале линзы и т. д. Невыполнение этого условия и приводит к появлению описанных искажений изображения, сформированного кластером из таких светодиодов (рис. 12). Поэтому важно понимать, что построение качественного устройства воспроизведения полноцветного изображения, где имеет место смешение цветов и формирование оттенков, невозможно без учета характеристик распределения светового потока внутри диаграммы пространственного распределения излучения. Это условие касается также условия минимального разброса интенсивностей излучения (силы света) всех светодиодов одного цвета, невыполнение которого проявляется в виде неравномерной засветки поля светящегося полотна. Глаз способен различить разницу яркостей двух элементов, находящихся в пределах его разрешения и отличающихся друг от друга всего на несколько процентов (при условии нахождения в пределах насыщения). Как показывает практика, выполнение этого условия в начале эксплуатации светодиодного устройства вовсе не означает, что оно сохранится в процессе работы. Этот факт будет обсужден в следующем разделе статьи.

Следующим важным параметром, идентичность которого должна быть соблюдена обязательно, является колориметрическая характеристика. Следствием невыполнения этого требования будет появление различных неоднородностей воспроизведения цвета. Система управления формированием цвета будет настроена на определенное соотношение интенсивностей основных цветов по формуле (7) исходя из спектральных параметров,

F = rR + gG + bB,

(6)

описанных в разделе 3 статьи, чтобы получить белый цвет с необходимыми координатами цветности. Однако достаточно отличающиеся по цветовым параметрам светодиоды будут выделяться и исказят цветопередачу. Этот дефект будет тем более заметен, чем меньше ширина спектрального распределения излучения светодиода. Стоит отметить, что глаз очень чувствителен к изменению цвета и способен различать квазимонохроматическое излучение с точностью до 1-2 нм,

Кроме идентичности параметров спектрального распределения необходимо остановиться на некоторых их значениях, требуемых для формирования правильной цветопередачи, МКО 1931 года рекомендует следующие координаты основных цветов (табл. 1),

Следующим шагом в разработке конструкций светодиодов для систем отображения информации высокого качества стали многокристальные светодиоды с различным цветом излучения и полноцветный (RGB, Full соїог) прибор, содержащий три кристалла в одном

Таблица 1

R ,7 0, 1 ,6 0, 0,32-0,35

G 0,27-0,36 0,55-0,65

B 0,13-0,17 0,04-0,08

Компоненты и технологии, № 5’2005

Рис. 12. Относительная диаграмма пространственного распределения силы света кластера из трех светодиодов к, О, В фирмы Toyodа Ооэе1 типа ЕИДЕ-Б совальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику Р65, остальными цветами — соответствующие цвета светодиодов. Показаны расхождения в направленности излучения каждого светодиода относительно оптической оси кластера.

О-

Рис. 14. Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света трехкристального кОВ-БМЭ-светодиода 1.М1-ТРР1-01 ТТО фирмы СОТСО с дельтаобразным расположением кристаллов внутри корпуса. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику Э65, остальными цветами — соответствующие цвета свечения кристаллов. Показаны расхождения в направленности излучения относительно оптической оси светодиода

Рис. 13. Полноцветные светодиоды для БМЭ-монтажа

корпусе (рис. 13), позволяющий формировать любой оттенок свечения (в том числе белый) как результат матрицирования трех цветов.

Кристаллы расположены на одной общей подложке и находятся друг от друга на расстоянии, не превышающем 1-3 своих линейных размеров. Именно с использованием таких приборов стал возможен отказ от кластеров при изготовлении полноцветных экранов с высокой разрешающей способностью и яркостью до 2500 кд/м2. Размер пикселя при этом получается равным размеру одного светодиода, а смешение цветов вообще происходит в точке с размером примерно 0,8х0,3 мм. Более того, будучи расположенными на одном основании, все три кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени, поэтому все тепловые уходы их параметров происходят одновременно, независимо от большой разницы прямых токов, и не влияют на результирующий цвет и интенсивность, сформированные в этот момент системой управления (в отличие от кластеров на дискретных светодиодах, где нет единой термостабилизации). Максимальный эффект этого свойства проявляется при формировании и воспроизведении белого цвета с большой частотой смены полей.

К достоинству описанной конструкции светодиода в части теплового режима стоит отнести и возможность использования его в импульсном режиме. Благодаря способности кристалла работать на больших (сотни МГц) частотах возможно получение импульсной оптической мощности, равной десяти номинальным долговременным, с сохранением фронтов до 10 нс (в зависимости от частоты повторения импульсов), при этом прямой ток через кристалл может достигать 100 мА.

Как правило, такие светодиоды исполняются в виде безвыводных элементов для SMD-монтажа и практически не имеют оптической системы, формирующей специфическую диаграмму направленности, поэтому она приближается по форме к ео$в. Однако взаимное геометрическое расположение кристаллов все же вносит искажения в равномерность смешения световых потоков (рис. 14).

Но по сравнению со светодиодами с овальной оптикой качество равномерности распределения намного выше на отдаленных от оптической оси углах, соответственно больше и угол наблюдения без искажений. Существуют и конструкции многокристальных светодиодов с различными оптическими системами, упорядочивающими смешение потоков кристаллов и фор-

а)

Компоненты и технологии, № 5’2005

мирующих подобие диаграммы направленности овальных светодиодов. Например, светодиоды фирмы «Корвет-Лайтс» (рис. 15), позволяющие использовать кристалл при повышенных плотностях тока — до 80 А/см2, и обладающих увеличенной по сравнению с другими конструкциями светоотдачей.

Однако равномерного смешения световых потоков кристаллов при использовании оптической системы получить не удается, поэтому широкого распространения такие приборы не получили, несмотря на свои незаурядные энергетические характеристики, едва ли до сих пор кем-либо достигнутые.

Также в таких светодиодах существует проблема с упорядочением идентичности параметров кристаллов, о которой говорилось выше, — ведь необходимо, чтобы все три кристалла были по параметрам очень близки к соответствующим в других светодиодах. Добиться такого сочетания необходимо уже на уровне монтажа кристаллов в корпус, иначе выход приборов с близкими параметрами будет невысок относительно всей партии. Такое действие достаточно трудоемко с технологической точки зрения и приводит к удорожанию продукта. Как правило, за основу берут один параметр, который можно скорректировать уже в составе светодиода. Это сила света. Цветовые характеристики кристаллов тестируются и разделяются еще до монтажа. Впоследствии интенсивность свечения каждого кристалла каждого светодиода в составе табло, например, доводится до одинакового значения программными средствами либо коррекцией питания. Таким образом реализуется идентичность характеристик в трех кристальных светодиодах, используемых группами.

Подавляющее большинство систем управления интенсивностями свечения светодиодов реализовано на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с большим количеством дискретов. Достоинства этого принципа управления, кроме удобства цифровой обработки данных сигнала, с точки зрения режимов работы светодиодов в том, что прямой ток через светодиод остается постоянным всегда, а изменяется лишь длительность импульса этого тока. Глаз интегрирует световой поток за период времени до следующего импульса, и получается, что время свечения светодиода, пропорциональное времени импульса, определяет интенсивность излучения. Это условие можно учесть программно и на самых малых уровнях интенсивности при самых коротких импуль-

сах, когда интеграционная характеристика глаза приобретает функцию ех с большими значениями х, и на самых больших, когда наступает насыщение, сохраняя тем самым линейность яркостной характеристики. Постоянство прямого тока через светодиод определяет соответствующее постоянство большинства ключевых параметров светодиода, в основном зависящих прямо или косвенно только от тока (люмен-ам-перная характеристика, зависимость полуширины спектра излучения, вольт-амперная характеристика и т. д.). Таким образом, при использовании подобных систем управления устройством отображения информации проблемы уходов характеристик светодиодов сведены преимущественно только к температурным зависимостям. И хотя это также является довольно серьезной темой для обсуждения, стоит говорить об этом отдельно, чтобы рассмотреть все подробности.

Анализ параметров и прогноз качества светодиодов для систем отображения информации от различных производителей методом исследования деградационных характеристик

Ведущими в мире производителями полупроводниковых кристаллов считаются компании NICHIA, Toyoda Gosei, Hewlett-Packard, CREE, Osram, Lumileds, Epistar. Эти компании отличаются друг от друга не только количеством произведенной продукции, а, что самое важное, принципиально различными конструкциями кристаллов собственных разработок. Поэтому, исследуя конкретный светодиод, помимо его технических характеристик немаловажно знать, на основе кристалла какого производителя он изготовлен. Как правило, знание этого обстоятельства, сразу ответит на многие вопросы опытному пользователю светодиодами еще до рассмотрения им других данных. Однако любая наука базируется на исключительно объективных сведениях. Получить их — довольно непростое дело, но в этом разделе хотелось бы обсудить именно такие — объективные результаты исследований параметров кристаллов и светодиодов, полученные в результате многих тысяч измерений и расчетов их характеристик. Во внимание были взяты лишь физические величины, цифры, показания приборов и сравнительные характеристики на их основе.

Были досконально исследованы светоизлучающие диоды более чем 20 фирм-произво-дителей, в том числе использующих кристаллы указанных выше компаний-лидеров.

Самому детальному исследованию были подвергнуты светодиоды на основе кристаллов Lumileds, Epistar, CREE производства СОТСО, RETOP, ACOL, LASEMTECH, Inc., светодиоды на основе кристаллов Toyoda Gosei, NICHIA.

Параллельно исследовались светодиоды на основе кристаллов, произведенных в Юго-Восточной Азии. Это приборы фирм Brightek, ETR, GUANGYI, Lanbaoli elektroniks, Golden Valley Opto, Lite-Max opto, SINO, ULTRALIGHT electronic, Sitronics Co., LED YI LIU, KENA, Shuen, Ningbo Foryard Opt., SANDER, Ledman и др.

Все образцы исследовались по одинаковой методике. Исследования велись при одинаковых условиях и с максимально возможным количеством измеряемых параметров. Во время наработки каждый светодиод питался от отдельного индивидуального стабилизированного источника тока с точностью поддержания тока ±0,5 мА. Это исключает возможность появления деградации параметров из-за колебаний прямого тока через кристалл. Большинство выводов сделано на основе наблюдений за изменениями зависимостей параметров в течение не менее 10 тыс. часов непрерывной работы светодиодов.

Помимо величин, изменяющихся в зависимости от прямого тока через кристалл, поддающихся моделированию или измерению (световой поток или сила света — люмен-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика, зависимость координат цветности от прямого тока и т. д.), есть и такие, как, например, срок службы, необратимая деградация и т. п., которые не могут быть достоверно установлены в зависимости от изменения вышеуказанного параметра. Значения этих характеристик можно косвенно предположить исходя из определения степени близости условий работы кристаллов при различных токах к условиям их работы на нормируемом производителем токе и нормируемого при этом токе срока службы. А также анализируя поведение спектральных и фотометрических характеристик излучения при больших токах, по которому можно достаточно точно судить о «здоровье» кристалла, светодиода в целом и его возможном потенциале.

Необходимость данных этого исследования возникает при моделировании новых конструкций светодиодных устройств, учитывающих возможность работы кристаллов при больших плотностях тока, прогнозов ухода параметров при колебаниях температуры окружающей среды, а также при конструировании устройств отображения информации и сигнализации высокой надежности.

К каждому типу исследуемых светодиодов обязательно применялся метод последовательных измерений большого количества параметров в зависимости от времени наработки (деградационные характеристики параметров — зависимости их значений от времени наработки), что в свою очередь подтвердило эффективность метода для определения качества светодиодов. Появилась возможность связать малые отклонения от типичных в характеристиках у светодиодов без времени наработки с характеристиками после некоторой наработки, приводящие впоследствии к выходу светодиода из строя. Это позволяет сделать достоверный прогноз качества, срока службы и поведения характеристик прибора в процессе всего времени эксплуатации, не прибегая к длительным испытаниям.

По поведению показателей наиболее важных параметров приборов различных конструкций и производителей в течение временной наработки все светодиоды были условно разделены на насколько групп по степени изменения характеристик и изначального (без наработки) соответствия значениям, обозначенным в спецификациях.

Компоненты и технологии, № 5’2005

Группа 1.

Результаты исследований прежде всего выявили общее повышение энергетики выхода используемых кристаллов относительно прежних показателей. Наиболее продвинутой в плане освоения новых технологий в производстве светодиодов оказалась фирма СОТСО, которая применила в своих светодиодах новый тип кристалла на основе InGaN/GaN на подложке SiC. Это кристаллы серий CREE XBright™, CREE XThin™, устанавливаемые способом «flip-chip» на эвтектическую прослойку, нанесенную на рамку светодиода. Они стали удачным продолжением в усовершенствовании кристаллов MBright™ на подложке SiC, отличающейся лучшей, чем сапфир, совместимостью кристаллических решеток подложки и выращенной на ней структуры InGaN/GaN. Применение кристалла XBright™ позволило практически сравнять энергетические показатели светодиодов синего и зеленого цвета излучения со светодиодами фирмы NICHIA, не изменяя цены и, что самое важное, надежности светодиода. А светодиоды с кристаллом CREE XThin™ фирмы Ledman превзошли по энергетическим параметрам идентичные по характеристикам приборы лидера светодиодостроения. Например, высший ранг наиболее используемых в экранах светодиодов с овальной линзой иуглом излучения 110×50 град. светодиодов фирмы NICHIA NSP_546 имеет осевую силу света до 2,4 кд (зеленый цвет), в то время как фирма СОТСО заявляет 2,3 кд у LO5SMQPG4-BOG-A1, что подтвердилось при исследованиях. Синий СОТСО LO5SMQBL4-BOG-A1 также с углом излучения 110×50 град. имеет осевую силу света до 0,75 кд (табл. 2). Световой поток кристаллов CREE представлен в таблице 3.

Таблица 2

Typ. Iv, cd.

NICHIA 110×50 град. COTCO 110×50 град.

Green 2,44 2,3

Blue 1,0 0,/5

Таблица 3

Typ. F, Im при 20 mA

MBright™ XBright™ XThin™

Green 1,4 1,8 2,1

Blue 0,3 0,5 0,/

Световая отдача кристаллов CREE ХТЫп™ достигает 35-40 1ш^ за счет значительного уменьшения прямого падения напряжения и во всем диапазоне токов.Ы™, CREE ХТЫп™ (рис. 18) одновременно решает несколько задач:

• Великолепный отвод тепла от р-п-перехода (тепловое сопротивление «р-п-переход —

ltd in,Ohm Pdis,mW 600 540 480 420 360 300 240 180 120 60

XBright

Bright

1 DU

°o Рис. 17. и динами Зависимо еское со 0 сть потре противле 0 3 бляемой ние Rdin кР ив ст ло нос лл 3 £ о 0 £ Pdis от пРя CREE 0 мого тока 0 If 0 0 0 IfдпА 1 00

кристаллодержатель» — всего 2-5 град./Вт), активная область расположена всего в 2-3 мкм от эвтектического слоя. Выгодное с точки зрения хода оптических лучей расположение граней и распределение излучения внутри кристалла по всему объему.п. Нижний контакт занимает всю площадь нижней грани. Поэтому вся площадь активной области работает при одинаковой плотности тока и нет локализации излучения, находящейся в зависимости от расположения омического контакта. Высокая механическая прочность эвтектического соединения кристалла с металлической рамкой светодиода. Устраняются проблемы разности коэффициентов линейно-

го расширения кристалла и материала рамки (подложки) при увеличении температуры работающего кристалла.

• Кристалл имеет большой динамический диапазон и запас по импульсным токовым нагрузкам. Линейность люмен-амперной характеристики сохраняется вплоть до тока 120 мА, что соответствует его плотности почти в 200 А/см2. Кристаллы конструкций на рис. 19 теряют линейность, едва достигая плотности тока 100-120 А/см2. Технология посадки кристалла способом «flip-chip» встречается не впервые. Toyoda Gosei применяет эту технологию для кристаллов на подложках из Al2O3.N»

n-GaN» Буферный слой GaN ■

(Ni/Au)

Подложка AI2O3 —

п-электрод (Ti/AI)

Рис. 19. Кристалл на подложке из сапфира.

Высота 110 мкм, тепловое сопротивление «р-п-переход — кристаллодержатель» 80-150 град/Вт

кристаллы преимущественно конструкций — прототипов NICHIA, разделилась на несколько категорий по различным качественным показателям приборов на однотипных кристаллах. Но все они не достигли таких значений силы света и других энергетических показателей светодиодов, как у ведущих фирм. Часто реальные параметры светодиодов разнились с заявленными в спецификациях, обладая и по этим данным не самыми лучшими характеристиками. Делается это недобросовестным производителем исключительно для того, чтобы обозначить свою продукцию среди других на должном уровне и сделать ее продаваемой, потому как проверить истинность параметров потребителю в подавляющем большинстве случаев бывает невозможно, а по виртуальным, написанным на бумаге характеристикам светодиоды обладают неплохими параметрами. Но выясняется, что все далеко не так.

Группа З.

Следующая категория — светодиоды с большим фактором деградации квантового выхода от времени наработки, связанного как с некачественным кристаллом, так и с нарушением технологии при сборке светодиода. В эту группу попали светодиоды фирм Lite-Max opto, SINO, ULTRALIGHT electronic, GUANGYI, Ningbo Foryard Opt., SANDER, использующие кристаллы неизвестных производителей из Юго-Восточной Азии. Подавляющее большинство этих кристаллов имеет широко известную структуру, представленную на рис. 19. Однако их характеристики не имеют ничего общего с такими же

кристаллами производства NICHIA, по всей вероятности, из-за несовершенства оборудования и несоблюдения технологического процесса их выращивания. Детальные результаты измерения, получения и моделирования деградационных характеристик требуют более тщательного, чем просто ознакомительное, обсуждения из-за большого объема вплотную связанных друг с другом параметров и непременно станут темой будущих статей. Стоит привести здесь одну из самых наглядных диаграмм, иллюстрирующих процесс деградации наиболее важного параметра светодиода во времени — пространственного распределения силы света в зависимости от времени наработки Iv(T) (рис. 20). Возможно построение зависимости изменения светового потока от времени наработки (как наиболее корректной с точки зрения физики процесса), но наглядность этого графика для пользователя будет недостаточна для объяснения картины происходящих изменений в светотехнических параметрах, к которым привязано большинство спецификаций на светодиоды. и, как следствие, пропорциональное этому явлению изменение светотехнических характеристик устройства отображения информации в целом. Это наиболее заметно, если подобная деградация происходит лишь у части светодиодов, образуя пятна и области с нарушенной цветопередачей и разной яркостью. Однако протекание подобной деградации у светодиодов никогда не происходит равномерно у всех образцов из-за различия причин ее появления. А самое главное, что применяемые в кластере светодиоды, как говорилось ранее, выполнены на основе кристаллов разных структур, изменения параметров которых изначально не могут быть одинаковыми. Поэтому сам факт появления деградации, отличающейся по характеру от нормальной для этих материалов кристаллов, уже говорит о недопустимости его возникновения у светодиодов, составляющих полотно изображе-

-100 -80 -60 -40 -20

20 40 60 80 100

Рис. 20. Зависимость !у(Т) светодиода БР-5ЕОБ24 110×50 фирмы 3!ЫО. Дана диаграмма углового распределения силы света в вертикальной плоскости излучения. Цифрами обозначено время наработки в часах (Ь). Цвет цифры соответствует цвету кривой на графике

Компоненты и технологии, № 5’2GG5

Таблица 4

в о и &■ 2 ф в с средний разброс осевой Iv в партии, % средняя деградация осевой Iv в партии, % % деградировавших по Iv светодиодов в партии

заявлено реально

1 ±15 ±9 -5…7 8-12

2 ±15 ±16 -10 10-12

3 ±12 ±15 -25…30 30-40

4 ±15 ±30 -25…30 40-60

ния устройства. Как правило, поведение именно этого графика (рис. 20) в первые несколько сотен часов работы может многое сказать об отклонении и других характеристик светодиода от нормы.

Группа 4.

Еще одну категорию составляют светодиоды (Sitronics Co., LED YI LIU и др.) с большим разбросом параметров (более ±50% по Iv) в партии из нескольких сотен штук, усугубляющимся деградацией и не позволяющим использовать их в аппаратуре, требующей единства характеристик всех светодиодов группы. Поэтому их детальное рассмотрение не приводится.

Исследования статистических данных производства больших партий (до 1 млн штук) некоторых производителей (например, СОТСО) показали, что вне зависимости от категории (группы светодиодов, разбитых по принципу

идентичности или малого, до ±10%, разброса параметров) количество образцов, определенных описанным методом как неизбежно выходящих из строя, практически одинаково и составляет примерно 12-15%.

Некоторые данные о результатах этих исследований сведены в таблицу 4.

Причем изначально эти светодиоды признаются годными, потому как действительно соответствуют всем параметрам производителя, указанным в спецификации. Конечно, приведенные цифры колеблются в зависимости от качества партии применяемых пластин кристаллов, соблюдения технологической дисциплины и т. д. Однако селекция потенциально неисправных образцов на производстве является продолжением и развитием описанной методики (с помощью деградационных характеристик) определения критериев, по которым необходимо проводить этот отбор. Таким образом удастся использовать качественные светодиоды, отсортированные по необходимым критериям, и быть уверенным в том, что их параметры не изменятся непредсказуемо непосредственно в проектируемом изделии.

Некоторые итоги исследований

Подытоживая сказанное, стоит заметить, что проводимые исследования и постоянный

мониторинг новаций и разработок позволяют не только судить о состоянии рынка светодиодной продукции, но и принимать правильные решения в стратегии использования тех или иных светодиодов в устройствах на их основе. Нельзя не уделять внимание некоторым, принципиально разнящимся с классическими, разработкам в области создания новых средств для полупроводниковой оптоэлектроники. Именно такой подход требуется при проектировании современных устройств отображения информации и оправдан качеством и высокими параметрами производимых экранов и табло на светодиодах при устойчивой тенденции к снижению их стоимости.

Литература

1. Sze S. M. Physics of Semiconductor devices. 1984.

2. Moss T. S. Semiconductor Opto — Electronics. 1973.

3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN-светодиодов // «Светодиоды и лазеры» № 1, 2. 2002. С. 30-33.

4. Агафонов Д. Р., Аникин П. П., Никифоров С. Г. Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе // «Светотехника» № 6. 2002. С. 6-11.

Как изготавливаются светодиоды — Learn.sparkfun.com

Светодиод YunSun

Во время поездки в Китай в 2014 году наш поставщик YunSun был достаточно любезен, чтобы забрать нас из Шэньчжэня и провести для нас экскурсию по их фабрике.

Хотя SparkFun использует и продает светодиоды уже более 10 лет, я никогда не видел и не понимал, как они изготавливаются. Я сообщил Мерри Сяо, нашему основному контакту в YunSun, что мы очень заинтересованы в обучении, поэтому она организовала для нас экскурсию в субботу , когда фабрика была закрыта.Мы были очень благодарны!

Это г-н Си, владелец YunSun с самым веселым чувством юмора. У него есть проект, над которым работает моя жена Алисия Гибб. Мерри тоже присоединился к нам и помогал переводить.

Основные детали

Это лист светодиодных плашек. YunSun покупает штампы у тайваньской компании высокого качества. Это мой большой палец рядом с 4000 умирает. Стоимость листа составляет примерно 80 юаней или 12,50 долларов США.

Каждый лист имеет характеристики партии, указанные в углу.Кристаллы на этом конкретном листе имеют длину волны ~ 519 нм или прямо на границе между зеленым и голубым синим. Три тонких листа, содержащие 12 000 светодиодов, скоро будут вылуплены!

Процесс начинается с перфорированных металлических свинцовых рамок. Каждая из этих рамок имеет базовую структуру для 20 светодиодов. Выше показано около 15 кадров или 300 светодиодов.

Машины

Первая машина берет выводную рамку и наносит небольшую каплю клея на каждую из чашек в верхней части катодного вывода.

В том виде, в котором они поставляются на бумажных листах, кристаллы светодиодов расположены слишком близко друг к другу, чтобы ими можно было манипулировать. Существует механическая машина (не изображена), которая распределяет штампы и приклеивает их к пленке слабого клея. Эта пленка подвешена над свинцовыми рамками, как показано выше. С помощью микроскопа рабочий вручную выравнивает матрицу и с помощью пинцета вставляет матрицу в направляющую рамку. Клей в свинцовой рамке выигрывает (более липкий), и рабочий быстро переходит к следующему штампу.Нам сказали, что они могут выравнивать более 80 в минуту или около 40 000 в день.

Выше показана машина для склеивания светодиодных проводов. Это прикрепляет тонкую золотую проволоку от верхней части кристалла светодиода к выводу анода.

Первое, что меня удивило в этом туре, это то, что вся операция проводилась под открытым небом. По какой-то причине я предположил, что манипулирование кремниевыми кристаллами требует технологии чистых помещений. Я мог бы сделать это в моем подвале! Хм…

Заменить меняОткрыть

Заменить меняЗакрыть

Эта машина потребовала немалой настройки и настройки, но как только она была запущена и запущена, было впечатляюще видеть, как устройство работает автоматически без компьютерной настройки.

Поскольку к кремниевой матрице прикреплен только один вывод, я предполагаю, что клей на катоде является проводящим. Клей схватывается примерно через 30 минут, после чего переходит к следующему этапу.

Вот еще один сюрприз. Это 7-сегментные дисплеи. По какой-то причине я всегда думал, что за сегментами дисплея находятся полноразмерные 3-миллиметровые (или какого-то размера) светодиоды. Оглядываясь назад, я, очевидно, ошибался, но это не поразило меня, пока я не увидел 7-сегментные печатные платы с кристаллами, прикрепленными непосредственно к плате.

Увеличенное изображение 7-сегментной клеевой машины.

Формы и испытания

Назад к процессу изготовления светодиодов PTH: после того, как проволочное соединение установлено и клей отвержден, выводная рамка помещается в форму для светодиода, а эпоксидная смола заливается вокруг выводных рамок.

Эти формы придают светодиодам форму. Это был еще один ах-ха момент. Я видел много светодиодов разной формы, но всегда в пределах какого-то размера.Вы не увидите много 5-миллиметровых светодиодных выводов с головкой в ​​​​форме звезды, потому что:

  1. Пресс-форма должна высвобождать головку светодиода точно так же, как пресс-форма для литья под давлением. Любая форма с выступами будет заблокирована в форме. А как насчет формы из двух частей? Это приводит меня к # 2:
  2. Вся индустрия светодиодов строится на специализированных поставщиках коттеджей. Это означает, что есть поставщики, которые занимаются только одним делом: производством кремния, производством свинца, изготовлением пресс-форм и т. д. Почти никто не владеет всей цепочкой инструментов, поэтому YunSun приходится выбирать из доступных вариантов поставщиков.Хотя мы были очень рады попросить YunSun создать для нас супер-нестандартный, потрясающий светодиод, это было бы почти невозможно; нам пришлось бы убедить не только их, но и около 5 разных поставщиков, чтобы они предоставили направляющие рамки необычного размера, нестандартный размер пресс-формы, отрегулировали машины с учетом расстояния между выводами, которое может быть несовместимым, а затем создали новые испытательные приспособления и рабочие процедуры. Не невозможно, но гораздо сложнее, чем я предполагал.

Это один из каталогов поставщиков пресс-форм, содержащий множество различных форм и размеров.Опять же, нестандартные формы не являются невозможными, но если их нет в каталоге, получить их будет намного сложнее.

После заливки эпоксидной смолы нам сказали, что светодиоды запекаются в течение 45 минут. В этот момент светодиоды можно извлечь из форм. Затем их запекают еще от 8 до 12 часов, чтобы эпоксидная смола полностью отвердела. После отверждения светодиоды группируются в большие партии, как показано выше.

Для поддержки во время производственного процесса выводные рамки имеют кусочки металла, соединяющие анод и катоды вместе.Перед испытанием вышеуказанная машина отрезает лишний металл, чтобы катод был изолирован, а все аноды были соединены шиной. Почему у светодиода один контакт короче другого? В основном для облегчения автоматизации производства и тестирования. Почему катод выбрали короче? Возможно потому, что при тестировании легче контролировать нижнюю сторону (катод).

Следующим шагом является тестирование и проверка того, что каждый светодиод использует соответствующую величину тока. Слишком мало (есть обрыв) или слишком много (есть короткое замыкание) и светодиод снимается.Используя серию pogo-контактов, эта машина быстро тестирует каждый отдельный светодиод и отображает результат на компьютере. Это очень похоже на испытательные стенды с пого-штифтами, которые мы разрабатываем для тестирования продуктов SparkFun.

После того, как светодиоды проходят контроль качества, они проходят еще один этап резки, чтобы отделить аноды от выводной рамки.

Множество красных светодиодов диаметром 5 мм, созданных специально для SparkFun!

Используя этот же процесс, можно сделать множество различных форм, цветов и размеров.

Обзор завода

В целом завод был компактным и хорошо спланированным. Было доступно четыре линии для создания любой формы и типа, которые были необходимы в тот день.

Мерри, Алисия, я и мистер Си. Мы очень-очень благодарны YunSun за экскурсию в выходной день! Если вам когда-либо понадобятся светодиоды или светодиодные лампочки, подумайте о том, чтобы связаться с Merry (веселье на 100led.com). YunSun — замечательная компания, с которой приятно работать.

Ресурсы и дальнейшее продвижение

Надеемся, вам понравилось читать! Эти уроки требуют много работы, и мы надеемся, что вы чему-то научитесь! Если вам понравилось читать, пожалуйста, оставьте комментарий и дайте нам знать.

Готовы поиграть со светодиодами? Вот несколько наших продуктов для оформления заказа:

Теперь, когда вы прочитали, как изготавливаются светодиоды, вот несколько учебных пособий, которые могут поразить ваше воображение:

2020 Цепочка поставок для производства светодиодов

Министерство энергетики США (DOE) опубликовало новый отчет, характеризующий глобальную производственную цепочку поставок светодиодов (LED) и продуктов светодиодного освещения. В отчете исследуется экономическое влияние этой цепочки поставок на Соединенные Штаты и определяются возможности для увеличения внутреннего производства.

В новом отчете подробно описывается производственный процесс для типовых светодиодных продуктов, определяется, какая доля светодиодных продуктов производится и собирается в Соединенных Штатах и ​​​​за рубежом, а также анализируется добавленная стоимость для типичного светодиодного светильника, произведенного в Соединенных Штатах, по сравнению с другими странами. В отчете также рассматриваются недавние макроэкономические события, повлиявшие на глобальную цепочку поставок светодиодной продукции, включая тарифы и пандемию COVID-19. В анализе используются данные международной торговли, рыночные отчеты и интервью с производителями светодиодных кристаллов, упаковки и ламп/светильников.

Анализ показывает, что производство светодиодных кристаллов и корпусов сосредоточено в Азии, а в производстве светодиодных ламп преобладает Китай. Напротив, производство светодиодных светильников осуществляется по всему миру, и 89% добавленной стоимости отечественного светодиодного светильника приходится на Соединенные Штаты. Анализ добавленной стоимости используется для определения влияния глобальной цепочки поставок на технологически продвинутые продукты, такие как светодиоды и светодиодное освещение, где цепочка поставок широко распределена по компаниям, странам и даже континентам.В 2019 году общий объем рынка светодиодных светильников в Северной Америке оценивался в 11,6 млрд долларов, из которых большую часть составляют Соединенные Штаты.

В отчете рассматривается, как изменились цепочки поставок светодиодов за последнее десятилетие, и делается попытка определить, где можно найти возможности отечественного производства с экономической и практической точки зрения. Береговое производство на любом этапе цепочки поставок светодиодов может способствовать развитию инфраструктуры и обеспечивать долгосрочные рабочие места и преимущества.Ключевые возможности для увеличения присутствия США в цепочке поставок светодиодного освещения включают:

  • Высококачественные светодиодные светильники, часто с большим разнообразием дизайна, функций и настроек
  • Светодиодные светильники, требующие быстрых сроков поставки при небольших складских запасах
  • Нишевый рынок светодиодных осветительных приборов, таких как УФ-освещение и освещение, ориентированное на человека
  • Использование технологий аддитивного производства и 3D-печати, разработка инструментов и пресс-форм, проектирование архитектурных светильников и изготовление компонентов светильников с меньшим количеством технологических операций или большей степенью автоматизации.

Из чего сделаны светодиоды?


Разобранный на части светодиод (или светоизлучающий диод) представляет собой простое устройство. На самом деле это не что иное, как крошечный полупроводник, состоящий из двух стоек, расположенных близко друг к другу. Однако настоящая история заключается в том, как эти части работают вместе.

Разработка светодиодов

История светодиодов начинается сразу после Второй мировой войны.Когда еще бушевала война, возник большой интерес к материалам для микроволновых и световых детекторов. В это время было разработано множество различных полупроводниковых материалов. На протяжении всего этого процесса свойства взаимодействия этих материалов со светом были подробно исследованы. Затем, в 1950-х годах, стало очевидно, что материалы, способные улавливать свет, также могут излучать свет. В 1960-х годах компания AT&T Bell Laboratories стала первой, кто использовал светогенерирующие свойства светодиодов.Промышленность проявила большой интерес к этой технологии из-за ее преимуществ перед лампочками: они служат дольше, потребляют меньше энергии и не требуют столько энергии для работы. Кроме того, они излучают цветной свет.

Как работают детали светодиодов

Несколько простых деталей, правильно собранных вместе, вызвали технологическую революцию. Вот как эти светодиодные детали выполняют свою работу. Представьте стандартную лампочку. Он излучает свет после того, как провода внутри нагреваются из-за электричества.Светодиод работает иначе. Он генерирует свет не из-за выделения тепла, а из-за электронного возбуждения. Диод — это, по сути, электрический клапан, пропускающий ток только в одном направлении. Когда клапан «включен», электроны перемещаются из области, где электроны плотно сжаты вместе, в область, где они не такие плотные. Это движение вызывает излучение света. Свет становится ярче, когда через него проходит больше электронов.

Преимущество светодиодов

Добавьте к этому тот факт, что большинство устройств имеют много диодов и что устройство позволяет включать одни индикаторы и выключать другие, и вы увидите, насколько устройство может контролировать уровень освещения, интенсивность и цвета.Светодиодные лампы также почти не выделяют тепла. Один только этот факт является революционным, поскольку он означает значительную экономию средств для пользователя и источник освещения, который не так сильно использует наши энергетические ресурсы.

Применение светодиодов

Эти крошечные детали, из которых состоит светодиод, нашли сотни применений, большинство из которых появилось всего за последние пару десятилетий. Теперь они используются в качестве световых индикаторов для стереосистем, микроволновых печей, приборных панелей автомобилей. Они также используются для цифровых дисплеев на цифровых часах, радиочасах и калькуляторах.Инфракрасные светодиоды используются для дистанционного управления телевизорами, стереосистемами и другим электронным оборудованием. Они все чаще используются для телевизионных и компьютерных мониторов. Даже ювелирные изделия и одежда не застрахованы от их воздействия, например, солнцезащитные козырьки с мигающими светодиодами по краям. Революция уже вторглась в вашу жизнь? Если нет, вы должны воспользоваться преимуществами светодиодов. Это нетрудно сделать. Просто купите любое современное электронное оборудование, и вы получите выгоду от этих маленьких простых светодиодных деталей.

Светодиоды

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • • Опишите типичные методы изготовления светодиодов.
  • • Понимание работы светодиодов.
  • • Цветные светодиоды
  • • Способы производства белых светодиодов.
  • • Ограничение тока для светодиодов.
  • • Несколько массивов светодиодов.
  • • Описать методы тестирования светодиодов.

Рисунок 2.5.1. Светодиоды

Светоизлучающие диоды (СИД)

На рис. 2.5.1 показан ряд светодиодов, иллюстрирующих некоторые из широкого спектра доступных стилей и размеров светодиодов. Цвета варьируются в спектре видимого света от темно-красного до ультрафиолетового, а также оттенков белого. Кроме того, инфракрасные светодиоды используются во многих датчиках и приложениях дистанционного управления.

Слева направо светодиоды на рис. 2.5.1: 5 мм теплого белого цвета, 10 мм сверхяркого синего цвета, стандартные 5 мм красный и зеленый, миниатюрные желтый и зеленый, трехцветные (красный/зеленый/синий), инфракрасный опто — ответвитель, инфракрасный передатчик/приемник и инфракрасный оптоизолятор. Ниже находится светодиодная лампа теплого белого света 230 В, 8 Вт, 230 люмен и 7-сегментный дисплей.

Рисунок 2.5.2. Светодиодная конструкция


(вид сбоку)

Рисунок 2.5.3. Светодиодная конструкция


(вид сверху)

Как работают светодиоды

В полупроводниковых диодах всякий раз, когда электрон рекомбинирует с дыркой, на короткое время высвобождается энергия в виде фотона.Обычные кремниевые диоды не подходят для излучения света, так как в кремниевом PN-переходе образующиеся фотоны в основном преобразуются в тепло внутри кремния, и только очень небольшое количество света может выйти из диодной структуры. Этот свет также имеет длину волны, ограниченную инфракрасной областью. В течение нескольких десятилетий в светоизлучающих диодах использовались такие материалы, как арсенид галлия (GaAs), фосфид арсенида галлия (GaAsP) или фосфид галлия (GaP), которые делают PN-переходы более эффективными при производстве света.Эти составные материалы также имеют тщательно контролируемые количества добавленного индия (In) или алюминия (Al) и могут быть легированы другими элементами, такими как магний (Mg). Это позволяет производить светодиоды более распространенных цветов: красного, оранжевого, желтого и зеленого. Синие светодиоды теперь также стали возможными благодаря использованию карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Цвет и яркость светодиода зависят от комбинации используемых материалов и энергетических зазоров материалов P и N по обе стороны от перехода.

Энергетическая щель (количество энергии, необходимое для перемещения электрона из валентной зоны атома в его зону проводимости) полупроводникового материала на эфирной стороне PN-перехода различна в разных полупроводниковых материалах, и по мере прохождения тока через LED, электроны в более высокой энергетической зоне рекомбинируют через переходный слой с дырками в более низкой энергетической зоне. При этом электроны теряют часть энергии, и именно эта энергия излучается светодиодом в виде света.

Чем больше энергии теряют электроны в этом процессе, тем выше частота (и короче длина волны) излучаемого света. На рис. 2.5.4 показаны различные комбинации полупроводниковых материалов, используемых для получения света разных цветов.

Рисунок 2.5.4. Цвета светодиодов

Обычно свет, возникающий в результате каждой рекомбинации электрона/дырки, является очень направленным и недолговечным, но миллионы рекомбинаций, происходящих, когда светодиод смещен в прямом направлении, производят свет непрерывно.Поскольку свет излучается узкими лучами под разными углами, чтобы сделать этот рассеянный свет более полезным, светодиодный чип монтируется в точке фокусировки чашки отражателя, которая фокусирует свет, излучаемый чипом, в конусообразный пучок.

Прозрачный пластиковый корпус светодиода также содержит линзу для лучшей фокусировки света в пучок. В некоторых светодиодах используется цветной пластиковый корпус, обычно красный, желтый или зеленый, но цвет корпуса предназначен только для идентификации цвета светодиода в несветящемся состоянии и практически не влияет на цвет, излучаемый светодиодным чипом.Диапазон различных цветов светодиодов показан на рис. 2.5.4

.

Рисунок 2.5.5. Шестиугольный светодиодный чип


Рисунок 2.5.6. Пирамида


Светодиодный чип

Максимальная светоотдача

Однако проблема с традиционными светодиодами заключается в том, что количество света, выходящего из светодиодного чипа, может составлять лишь около 20% от фактических фотонов, генерируемых внутри чипа. Причина этого в том, что в то время как луч света (фотон), приближаясь к стенке чипа под углом, перпендикулярным поверхности, легко проходит из чипа в окружающую среду (т.грамм. прозрачный пластик корпуса светодиода), свет, приближающийся к поверхности чипа под другими углами, преломляется за счет преломления, когда он попадает на границу между чипом и окружающим материалом. Это связано с изменением скорости света между различными материалами. Когда луч света достигает границы раздела чипа и окружающего пластика под углом, превышающим «критический угол» для двух соответствующих материалов, он отражается обратно в чип, где энергия фотонов рассеивается в виде тепла.

Чтобы преодолеть эту проблему и увеличить светоотдачу чипа, а также уменьшить тепловыделение во время работы, ряд производителей выпускают светодиодные чипы, которые не имеют правильной прямоугольной формы, путем разрезания отдельных чипов на многоугольники вместо прямоугольников. как показано на рис. 2.5.5. Другой подход состоит в том, чтобы срезать стороны прямоугольной стружки под углом, образуя неполную пирамиду, как показано на рис. 2.5.6. Эти методы увеличивают вероятность того, что внутренне отраженные фотоны попадут на другую поверхность чипа под углом, позволяющим им пройти сквозь поверхность, тем самым увеличивая светоотдачу.

Рисунок 2.5.7. Внутреннее отражение

Заменяя стороны, расположенные под прямым углом друг к другу, сторонами, расположенными под разными углами, вероятность того, что фотон, испускаемый светодиодным соединением под любым случайным углом, попадет на границу чипа под углом, позволяющим ему скорее покинуть чип чем внутреннее отражение, увеличивается, как показано на рис. 2.5.7. Таким образом увеличивается светоотдача и снижается внутреннее тепловыделение, что позволяет производить более эффективные светодиоды.

Белые светодиоды

Доступны три основных типа белых светодиодов, первый из которых представляет собой синий светодиод, в котором излучаемый свет активирует желтое люминофорное покрытие, создавая эффект белого света, однако белый свет, создаваемый этой комбинацией синего и желтого, в отличие от солнечного света, не имеют равномерного распределения энергии по всему световому спектру, поэтому не особенно подходят для точного согласования цветов.

Белый светодиод второго типа фактически состоит из трех светодиодов (красного, зеленого и синего) в одном корпусе.Этот тип дает более равномерный световой спектр, а некоторые версии позволяют независимо изменять каждый из трех отдельных цветов. Это важная особенность, потому что одна из проблем со светодиодами заключается в том, что их мощность может меняться в зависимости от температуры, а красный, зеленый и синий светодиоды не все изменяются на одинаковую величину при заданном изменении температуры. Таким образом, эти светодиоды требуют более сложных (чувствительных к температуре) цепей управления, если необходимо поддерживать чистый белый цвет, однако эта система также дает возможность создавать переменное многоцветное освещение.

Третий подход заключается в использовании ультрафиолетового светодиода для стимуляции смеси люминофоров, предназначенных для получения белого света, покрывающего весь видимый спектр без «пробелов», оставленных сине-желтой системой, и, поскольку только один (невидимый) светодиод участвует, преодолевая проблемы температурной стабильности трех светодиодной системы.

Рисунок 2.5.8. Характеристики светодиодов по сравнению с

Цвет светодиода

Светодиоды

в настоящее время охватывают широкий диапазон цветов, светоотдачи и требований к мощности и, как правило, во много раз более надежны и потребляют гораздо меньше энергии, чем конкурирующие лампы накаливания или люминесцентные лампы.

Чтобы заставить светодиод светиться, необходимо прямое смещение диода, достаточное для прохождения соответствующего количества тока, как правило, чем короче длина волны излучаемого света, тем выше напряжение, необходимое для прямого смещения, и типичные напряжения прямого смещения варьируются от 1,5. до 1,7 В для инфракрасных светодиодов до 3,3 В и более для синих и ультрафиолетовых. Для более распространенных красно-желтых и зеленых версий требуется около 2 В прямого смещения, а для белых светодиодов — около 3,6 В.

На рис. 2.5.8 показаны типичные характеристики светодиодов различных цветов.Обратите внимание на значительную разницу между прямым напряжением (V F ) для синих и красных для зеленых типов. Синие светодиоды также обычно имеют больший обратный ток утечки (I REV ), чем другие светодиоды, но считается, что безопасный предел для большинства светодиодов составляет около -5 В, что является ОЧЕНЬ НИЗКИМ значением по сравнению с кремниевыми диодами, у которых может быть измерено обратное напряжение пробоя. в десятках или сотнях вольт. Следовательно, светодиоды более легко повреждаются относительно небольшими значениями избыточного прямого тока или обратного напряжения по сравнению с обычными кремниевыми диодами. операционная зона.

Подключение светодиодов

Рисунок 2.5.9. Резистор ограничения тока светодиода

Чтобы убедиться, что прямой ток через светодиод соответствует типу используемого светодиода, лучше всего обратиться к соответствующему техпаспорту. Если соответствующий техпаспорт недоступен, на веб-сайтах специализированных производителей, таких как Kingbright, можно найти исчерпывающие данные о светодиодах.

Найдя подходящее значение для прямого тока, токоограничивающий резистор (R LIM ), подобный показанному на рис.2.5.9 можно легко рассчитать, вычитая соответствующее прямое напряжение для светодиода (V F ) из ​​напряжения питания (V S ), чтобы получить требуемое напряжение на резисторе (V R ), а затем разделив V R на требуемый прямой ток (I F ). Маловероятно, что результатом вашего расчета будет предпочтительное значение резистора, в этом случае выберите следующее более высокое предпочтительное значение.

Поскольку резисторы доступны в диапазоне стандартных номинальных мощностей, например.g 0,25 Вт 0,5 Вт и т. д., рассеиваемая мощность (мощность), необходимая для R LIM , должна быть следующей более высокой доступной номинальной мощностью, превышающей мощность, рассчитанную путем умножения выбранного предпочтительного значения R LIM на квадрат диода прямой ток. R LIM x I F 2 .

Светодиодные матрицы

Рисунок 2.5.10. Последовательно-параллельная светодиодная матрица

Светодиоды

часто используются в нескольких массивах, как показано на рис. 2.5.10, а типичным методом соединения является последовательное соединение нескольких светодиодов, питаемых через один ограничительный резистор от источника с более высоким напряжением (V S ), чем требуется для одного светодиода. Ток через каждый последовательно соединенный светодиод идентичен необходимому для одиночного светодиода, но напряжение на четырех светодиодах на рис. 2.5.10 в четыре раза больше, чем требуется для одиночного светодиода (т.е. + V F3 + V F4 ).

Несколько одинаковых последовательных групп могут быть соединены параллельно, как показано на рис.2.5.10. Этот способ подключения имеет ряд преимуществ:

1. Напряжение питания не должно быть таким высоким, как если бы несколько светодиодов были соединены последовательно, что делает этот метод более подходящим для питания от батарей.

2. Требуется меньшее количество ограничивающих резисторов, только один на группу последовательностей, а не один на светодиод, по сравнению с полностью параллельным соединением.

3. Уменьшено влияние неисправного светодиода на общую светоотдачу. Если в одном светодиоде произойдет короткое замыкание, только этот светодиод не загорится, однако оставшиеся светодиоды в группе из четырех диодов испытают увеличение тока на 25%.С большим количеством светодиодов в группе этот эффект будет меньше. Если какой-либо из диодов разомкнется, то не загорятся только четыре светодиода в соответствующей последовательной группе, остальные светодиоды будут работать нормально.

D1 обычно может быть включен в цепь с батарейным питанием, чтобы предотвратить повреждение от любого случайного подключения батареи с обратной полярностью.

Проверка светодиодов

Рисунок 2.5.11. Полярность светодиода

Рисунок 2.5.12. Проверка светодиода

При подключении светодиодов необходимо соблюдать правильную полярность, и, к сожалению, соединения анода и катода светодиодов не всегда очевидны.На рис. 2.5.11 показаны два способа индикации полярности на стандартных 5-миллиметровых светодиодах, но они зависят от того, не укорочены ли соединительные провода (как это часто бывает) или можно ли увидеть небольшую «плоскую поверхность» возле катодного вывода, которая не всегда легко. С более крупными прозрачными светодиодами можно определить катод устройства, посмотрев на внутреннюю структуру светодиода. В этом случае большая из двух внутренних свинцовых структур является катодом (см. рис. 2.5.2).

Поскольку светодиоды доступны во многих формах и размерах, часто невозможно визуально определить, какой из них является анодом, а какой катодом.Чтобы преодолеть эту проблему, на рынке имеется ряд тестовых устройств, стоимость которых варьируется от менее 10 до примерно 160 долларов, но простые (и более дешевые) тесты можно проводить с помощью обычного мультиметра, переключенного на диодный диапазон, который не только покажет полярность диода, но и показывает, неисправен ли светодиод. На рис. 2.5.12 показана типичная проблема, когда миниатюрный зеленый светодиод, установленный в проводном держателе, нуждается в проверке.

Обычно достаточно просто подсоединить провода мультиметра, чтобы светодиод засветился (часто слабо), когда красный провод подключен к аноду, а черный к катоду.Перепутывание выводов не заставит диод светиться, поэтому в этом случае видно, что желтый вывод на держателе светодиода подключен к аноду. Обратите внимание, однако, что счетчик по-прежнему показывает 1 на своем дисплее, указывая на то, что светодиод разомкнут, хотя это явно не так, потому что он работает!

Некоторые светодиоды не загорятся в этом тесте, независимо от того, в какую сторону подключены провода счетчика, что предполагает разомкнутый диод, но в то же время будет давать бесконечные (1 на дисплее) показания в одном направлении, указывая на очень высокое сопротивление и показание, возможно, несколько сотен или, возможно, чуть более 1 кОм в другом направлении, что указывает на исправный светодиод.Результаты зависят как от характеристик диода и используемого счетчика, так и от состояния батареи счетчика. Если все это кажется запутанным, просто предположим, что при проверке светодиода вне цепи:

Если проверка свечения выведенного из цепи светодиода или различных показаний сопротивления, как описано выше, указывает на исправный светодиод, то, скорее всего, это исправный светодиод.

Если оба теста указывают на неисправность светодиода, то, скорее всего, светодиод неисправен.

К началу страницы

Как работают светоизлучающие диоды (светодиоды)

Как работают светоизлучающие диоды

Основная функция светоизлучающих диодов заключается в преобразовании электрической энергии в видимый свет.История светодиодов насчитывает более 100 лет, от первых экспериментальных открытий до их многочисленных применений и применений сегодня.


Светодиоды бывают нескольких видов, и принцип работы каждого из них существенно различается. В настоящее время светодиоды используются в ряде приложений и осветительных приборов, таких как наружные настенные светильники, потолочные светильники для спален и даже лампы Тиффани.

В этой статье мы попытаемся объяснить, как работают светодиоды, в удобном для понимания формате, используя как можно меньше запутанного научного жаргона.

Содержание

Основополагающая технология светоизлучающих диодов

Что такое полупроводник?

В контексте изучения электроники понимание связи между материей и электричеством имеет фундаментальное значение. Это связано с тем, что каждое электронное устройство собирается из деталей, созданных из обычной материи. Поэтому, чтобы понимать электронику на базовом уровне, важно понимать влияние электричества на материю.

Для достижения этой цели все элементы, из которых состоит материя, разделены на три отдельные категории.


Это: проводники, изоляторы и полупроводники.


Для целей этой статьи основное внимание будет уделено пониманию полупроводников, но также важно знать, как они работают по отношению к проводникам и изоляторам.


Проводники — это такие элементы, как медь и серебро, которые очень легко проводят электрический ток.Обычно они выполнены в виде проволоки и используются для передачи электроэнергии между двумя точками.


Изоляторы плохо проводят ток и используются на практике, когда необходимо предотвратить поток электричества. Материалы, подпадающие под это определение, включают серу, каучук и стекло.


Полупроводники попадают между категориями проводников и изоляторов, поскольку они не выполняют эффективно ни одну из этих функций. Характеристики полупроводников находятся между характеристиками проводников и изоляторов.


Материалы, которые являются полупроводниками, включают германий, кремний и различные элементы, используемые в светодиодах, в том числе; сульфид цинка, арсенид галлия и нитрид галлия.

Что такое полупроводник?

Открытие электролюминесценции

Электролюминесценция — это как оптическое, так и электрическое явление, при котором материалы излучают свет, реагируя на электрический ток либо в качестве проводника, либо находясь в пределах досягаемости достаточно сильного магнитного поля.


Механизм работы электролюминесценции зависит от излучательной рекомбинации заряженных электронов и пространств внутри полупроводника, которые выделяют энергию в виде фотонов.


Мы воспринимаем это как свет.


В светодиодах до того, как произойдет излучательная рекомбинация, есть два основных метода, с помощью которых можно увеличить количество излучаемого ими света.
Они составляют основу светодиодов, используемых сегодня в коммерческих целях.


Полупроводники N-типа и P-типа
Первый метод заключается в разделении электронов и пространств в полупроводнике с использованием так называемого «легирующего» проводника для формирования p-n перехода.


В p-n переходе «n» означает «отрицательный», а «p» означает «положительный».
Полупроводники N-типа можно получить, добавив несколько атомов элемента сурьмы в кремний, что позволит пройти через него дополнительным электронам.


В проводники р-типа можно добавить атомы элемента, например бора, и это удалит электроны из кремния, оставив дырки там, где когда-то были электроны. Это позволяет электронам двигаться, неся положительный заряд.


Легирование в контексте производства полупроводников — это синтетическое введение примесей в собственный (или нелегированный) полупроводник, чтобы можно было модулировать его электрические, структурные и оптические свойства.


Другой метод осуществляется путем возбуждения путем воздействия сильно заряженных электронов, которые ускоряются сильным электрическим полем. Этот метод используется в электролюминесцентных дисплеях, например, в приборных панелях самолетов.В данном случае люминофоры представляют собой материалы, подвергающиеся воздействию электромагнитного поля.


Соединительные диоды


Все становится интереснее, когда комбинируются кремниевые полупроводники р-типа и n-типа.


Если вы добавите кусок кремния n-типа со слишком большим количеством электронов к кремнию p-типа, электроны со стороны n-типа будут двигаться через соединение, чтобы они могли заполнить отверстия в n-типе. стороны, поскольку кремний снова возвращается в свое нормальное состояние.


Поскольку кремний плохо проводит электричество, как и созданный переход, между кремнием n-типа и кремнием p-типа создается барьер.


Эта зона известна как зона истощения из-за того, что она не содержит ни свободных электронов, ни дырок.


Если вы подключите батарею к вновь образованному p-n переходу, способ ее подключения повлияет на результат.


Прямое смещение


Если отрицательная сторона батареи подключена к кремнию n-типа, а положительная сторона к p-типу, это приведет к уменьшению размера зоны разрядки.Электроны и дырки будут пересекать соединение в противоположном направлении, и будет течь ток, вызывая так называемое прямое смещение.


Обратное смещение


Если полюса батареи соединены противоположным образом, так что положительная сторона подключена к кремнию n-типа, а отрицательная сторона к кремнию p-типа, это вызовет электроны перемещаются к противоположному концу от дырок, которые движутся в другом направлении. В этих условиях ток не может течь, это называется обратным смещением.


Это в основном объясняет функцию обычного диода и то, почему электрический ток может проходить через них только в одном направлении.


Как работают светодиоды (в двух словах)


Светодиоды в основном представляют собой диоды, конструкция которых позволяет излучать свет.


Диод прямого смещения, который позволяет электронам и дыркам проходить через зону обеднения в противоположных направлениях, позволяет им объединяться и, таким образом, уничтожать друг друга.


Через определенное время, когда электрон переходит из кремния n-типа в кремний p-типа, он находит дырку, с которой соединяется, и исчезает.


Этот процесс завершает атом, делая его более стабильным, и когда это происходит, он испускает небольшой выброс энергии в виде одного фотона света.

Первые изобретатели светодиода

Х. Дж. Раунд


В 1907 году Х. Дж. Раунд открыл электролюминесценцию.


Он исследовал, что произойдет, если он несимметрично пропустит ток через карбид кремния, используя детектор кошачьих усов.


Когда он приложил электрический потенциал 10 вольт между двумя точками на карбиде кремния, он заметил, что кристаллы испускают желтоватый свет.


Он также ввел 110 вольт, и именно в этот момент некоторые кристаллы излучали зеленый, оранжевый и синий свет вместо желтого.


Он отметил, что в каждом тесте, который он проводил, свечение появлялось на отрицательном полюсе.


Х. Дж. Раунд опубликовал эти выводы в журнале Electrical World и в конце статьи призвал «ссылки на любой опубликованный отчет об исследовании этого или любых родственных явлений».


Олег Лосев


Следующий шаг в эволюции светодиодного освещения принадлежит русскому ученому Олегу Лосеву, который первым надлежащим образом исследовал их эффекты, представил подробную теорию того, как они могут работать, а также описаны возможные практические приложения.Он опубликовал эти результаты в «Русском журнале» в 1927 году.


Основным вкладом Лосева было объяснение функции твердотельного источника света, который мог генерировать свет посредством электролюминесценции.

Жорж Дестрио


Прошло почти двадцать лет, прежде чем Жорж Дестрио сделал следующий шаг в эволюции светодиодов.


В 1936 году Дестрио заметил, что он может производить электролюминесценцию, взвешивая сульфид цинка в изоляторе, а затем вводя переменное электрическое поле.


Он называл этот тип люминесценции «Светом Лосева», имея в виду русского ученого, который более научно обосновывал открытия Г. Дж. Раунда, а также открывал возможности применения его изобретений.


Курт Леговец


Курт Легович также процитировал в своей работе работу Олега Лосева, когда он вместе с Эдвардом Джамгочейном и Карлом Аккардо объяснил первые светодиоды.


Вместе со своими коллегами Лехович объяснил первые светоизлучающие диоды в 1951 году.


Они использовали устройство, в котором использовались кристаллы карбида кремния с батареей в качестве источника тока или генератора импульсов, и они также провели сравнение с вариантом, кристаллом чистого кремния.


Джеймс Р. Биард


В 1961 году Джеймс Р. Биард и его коллега Гэри Питтман открыли излучение туннельного диода в ближнем инфракрасном диапазоне, работая в компании Texas Instruments.


После этого открытия патентное ведомство США выдало патент на первый практичный светодиод.


Ник Холоньяк-младший


В 1962 году Ник Холоньяк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра, когда работал в General Electric.


Курт Лехович также сослался на работу Олега Лосева в своей работе, когда он вместе с Эдвардом Джамгочейном и Карлом Аккардо объяснил первые светодиоды.


Вместе со своими коллегами Лехович объяснил ранние светоизлучающие диоды в 1951 году. вариант, кристалл чистого кремния.


Джеймс Р. Биард


В 1961 году Джеймс Р. Биард и его коллега Гэри Питтман открыли излучение туннельного диода в ближнем инфракрасном диапазоне, работая в компании Texas Instruments.


После этого открытия патентное ведомство США выдало патент на первый практичный светодиод.


Ник Холоньяк-младший


В 1962 году Ник Холоньяк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра, когда работал в General Electric.

Что такое светодиодное освещение?

Первые светодиоды


Ранние версии светодиодов, изобретенные Ником Холоньяком-младшим, были красного цвета. Это было не случайно.


Светодиоды изготавливаются путем наслоения полупроводниковых материалов на пластинообразную поверхность. По мере создания слоев добавляются легирующие материалы, которые определяют цвет светодиода.


Легирующим агентом, используемым в первых светодиодах, был фосфид арсенида галлия, который естественным образом дает красный цвет.


Это одна из причин того, что красный цвет стал индикатором цвета по умолчанию, хотя тот факт, что красный также является естественным цветом для обозначения опасности, должно быть, помог их принятию.


Современные процессы создания легирующих присадок означают, что светодиоды теперь доступны во всем цветовом спектре, что позволяет использовать их гораздо шире, чем просто индикаторы питания или сигнальные лампы.


В течение первого десятилетия срока службы светодиоды были доступны только красного цвета.


Многие функции, которые может выполнять светодиод


Светодиоды являются одним из наиболее широко используемых компонентов электронных схем. Они выполняют множество задач и используются в самых разных устройствах.


Сюда входят цифры на цифровых часах, отправка информации с пультов дистанционного управления и световые индикаторы, сообщающие нам о включении приборов.


Они также могут быть объединены в матрицу и использоваться в качестве телевизионного экрана типа jumbotron или в качестве подсветки для светофоров.


Светодиоды, используемые для этих видов работ, в основном представляют собой небольшие лампы, которые можно легко включить в электрическую цепь.


Они предпочтительнее ламп накаливания, потому что они более долговечны и излучают меньше тепла. Ключевой особенностью в этом является то, что они не имеют нити накала, которая может перегореть или легко повредиться.


Современное использование светодиодов

Белый свет


В 1993 году светодиоды превратились из световых индикаторов или информационных дисплеев в источники света.Шуджи Накамура совершил прорыв, когда открыл процесс легирования, который привел к ярко-синим светодиодам.


После этого желтый люминофор был использован для покрытия синего светодиода, и так мы получили белые светодиоды.


Это обеспечило целый ряд новых приложений, и теперь они могли освещать мир. В частности, была преобразована индустрия коммерческого и бытового освещения. Такие элементы, как наружные настенные светильники и многие домашние светильники, могут использоваться со светодиодными лампами вместо традиционных галогенных ламп.


Одним из первых применений белых светодиодов были фонарики, а теперь практически невозможно найти фонарь со старым источником света накаливания.

Освещение дороги


Замена автомобильных фар может быть сложной задачей. Различные типы корпусов, фирменные зажимы и отсутствие пространства между компонентами двигателя могут заблокировать доступ к лампе.


В современных автомобилях старые лампы накаливания заменены светодиодами, а это означает, что их, вероятно, никогда не придется заменять, и они могут даже пережить автомобиль.


К 2010 году почти каждый автомобиль был оснащен светодиодными фарами, сочетание длительного срока службы и низкого энергопотребления делало их идеальными для использования в транспортных средствах.


Помимо практических преимуществ, они еще и прекрасно выглядят.


Замена лампочки


Компактные люминесцентные лампы стали большим шагом вперед с точки зрения энергоэффективности по сравнению с лампами накаливания. Тем не менее, они создавали ужасную атмосферу и были не очень адаптируемыми или эстетически приятными.


Замена ламп накаливания была неизбежна, но компактные люминесцентные лампы не способны давать теплый свет, необходимый для создания комфортной обстановки.


Светодиоды обладают гибкостью для создания теплого света, и они могут сделать это, используя гораздо меньше электроэнергии, хотя и выделяют много тепла.


Они также могут быть дорогими, но это не помешало крупным компаниям, таким как Philips и General Electric, инвестировать в разработку новых и более эффективных типов светодиодного освещения, и они стали доминирующим источником света за последние несколько лет. лет.

Освещение вашего дома

Многие домохозяйства выиграли от этого, поскольку обычные источники света, такие как потолочные прожекторы, которые вы найдете во многих кухнях и гостиных, ранее потребляли большое количество электроэнергии. С переходом на светодиодное освещение это резко снизило эксплуатационные расходы для этого типа освещения с низким потолком

Как работают светодиодные лампочки?

Замена традиционных источников света


За последние несколько лет светодиодные лампы заменили традиционные лампы накаливания и более современные компактные люминесцентные лампы.


Светодиодные лампы можно вкручивать в те же патроны, что и лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы.


Ранние версии замены светодиодов могли казаться не такими яркими, как лампы, которые они заменяли. В то время как светодиодные лампы всегда производили много света, в первые дни тенденция заключалась в том, что этот свет задерживался внутри.


Однако достижения в области светодиодных технологий означают, что это больше не проблема, и легко найти светодиодные лампы, которые могут излучать столько же света, сколько 60-ваттная лампа накаливания, потребляя всего 10% энергии.

Как улучшаются светодиодные лампочки


Ведущие светотехнические компании, такие как Philips и General Electric, вкладывают большие средства в исследования и усовершенствование светодиодного освещения.
Эти инвестиции привели ко многим прорывам в эффективности и снижению затрат на производство высокоэффективных ламп, которые прослужат очень долго.


Решение проблем с потерями света


Как упоминалось ранее в статье, одной из основных проблем светодиодного освещения являются потери света.Это решается путем проделывания микроскопических отверстий в корпусе лампочки, чтобы облегчить высвобождение света. Этот процесс может быть дорогим, однако новая технология, использующая литографию с наноимпринтом, которая позволяет создавать миллиарды отверстий в крошечных светодиодах, решает эту проблему.


Сокращение времени производства


В производство самих светодиодов также вносятся улучшения. Новые более экономичные методы создания полупроводников из нитрида галлия с использованием кремниевых пластин вместо более дорогих сапфировых проводов, которые использовались в ранних версиях светодиодного освещения.Это привело к резкому снижению затрат на производство светодиодов.


Это хорошая новость для потребителей светодиодного освещения, поскольку они получают более качественное освещение по сниженной цене. Когда это добавляется к возможной экономии за счет снижения энергопотребления, становится не так много аргументов в пользу использования любого другого источника света.

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 со стороны N 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 точечно-матричных дисплеях числового и буквенно-цифрового характера. Несколько светодиодов используются для создания одного линейного сегмента, а для создания десятичной точки используется один светодиод.

Конструкция светодиода

Рекомбинация носителей заряда происходит в материале P-типа, и, следовательно, P-материал является поверхностью светодиода. Для максимального излучения света анод наносится на край материала Р-типа. Катод изготовлен из золотой пленки и обычно располагается в нижней части N-области. Этот золотой слой катода помогает отражать свет на поверхность.

Фосфид арсенида галлия используется для производства светодиодов, которые излучают красный или желтый свет для излучения.Светодиоды также доступны в зеленом, желтом, янтарном и красном цветах.

Простой транзистор можно использовать для включения/выключения светодиода, как показано на рисунке выше. Ток базы I B проводит транзистор, а транзистор проводит 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, они излучают энергию в виде фотонов.Энергия фотонов равна промежутку между высшим и низшим уровнем.

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

Преимущества светодиодов в электронных дисплеях

Ниже перечислены основные преимущества светодиодов в электронных дисплеях.

  1. Светодиоды имеют меньшие размеры, и их можно складывать вместе для формирования числового и буквенно-цифрового дисплея в матрице высокой плотности.
  2. Интенсивность светового потока светодиода зависит от тока, протекающего через него. Интенсивность их света можно плавно регулировать.
  3. Доступны светодиоды, излучающие свет различных цветов, таких как красный, желтый, зеленый и янтарный.
  4. Время включения и выключения или время переключения светодиода меньше 1 наносекунды. Из-за этого светодиоды используются для динамической работы.
  5. Светодиоды очень экономичны и обладают высокой степенью надежности, поскольку изготавливаются по той же технологии, что и транзистор.
  6. Светодиоды работают в широком диапазоне температур, например, от 0° до 70°. Кроме того, он очень прочный и может выдерживать удары и колебания.
  7. Светодиоды имеют высокий КПД, но требуют для работы умеренной мощности.Обычно для полной яркости требуется напряжение 1,2 В и ток 20 мА. Поэтому он используется в местах, где доступно меньше энергии.

Недостатки светодиода

Светодиоды потребляют больше энергии, чем LCD, и их стоимость высока. Кроме того, он не используется для изготовления большого дисплея.

Как работают светодиодные лампы для выращивания растений?

 

Что нужно знать о светодиодных лампах для выращивания растений

Энергоэффективные светодиодные лампы для выращивания растений — это освещение будущего для сельского хозяйства.Они не только экономичны в использовании, но и производят более качественные растения по сравнению со всеми традиционными вариантами освещения. В приведенных ниже текстах вы можете прочитать, как работают светодиодные лампы для выращивания растений, как они влияют на рост растений и какие преимущества имеют светодиодные лампы по сравнению с наиболее широко используемыми в сельском хозяйстве искусственными лампами — ДНаТ.

Что такое светодиоды и как они работают?
Светодиоды

(светоизлучающие диоды) представляют собой небольшие электронные компоненты, изготовленные из двух различных типов полупроводниковых материалов, один из которых имеет отрицательный заряд, называемый электронами, а другой — положительный заряд, называемый дырками.Когда на светодиод правильно подается напряжение, через него начинает течь электрический ток, заставляя электроны и дырки сталкиваться, высвобождая энергию в виде фотонов, квантов света, в процессе, называемом рекомбинацией. Первые светодиоды имели относительно низкую светоотдачу и ограниченный выбор цветов, в то время как современные светодиоды обладают высокой яркостью и имеют различные цвета в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом спектральных диапазонах.

Что такое светодиодные лампы для выращивания растений?

Как следует из названия, светодиодные лампы для выращивания растений — это светильники, в которых используются светодиодные чипы современным и эффективным способом для получения света для выращивания растений.Светодиодные лампы для выращивания растений бывают разных форм и размеров, но, будучи наиболее важными элементами светодиодных ламп для выращивания растений, светодиодные чипы оказывают наибольшее влияние на качество света, то есть на спектр (цвета) и поток фотонов («яркость»). Поскольку производители светодиодных ламп для выращивания растений могут выбирать светодиоды, которые они используют в своих лампах, важно понимать, какой тип светодиодов лучше всего подходит для конкретного применения. Одним из преимуществ светодиодных ламп для выращивания растений по сравнению с традиционными световыми решениями является возможность согласования света с потребностями растений.

Как светодиоды влияют на растения?

Цветовые вариации светодиодных ламп для выращивания растений напрямую связаны с назначением – различные исследования показали, что определенные цвета влияют на рост растений, воздействуя на формирование корней и цветков (спектры синего и красного света), что на практике означает, что большинство видов растений нормальный цикл роста при воздействии как синего, так и красного света. Добавление других цветов к спектру, таких как зеленый, дальний красный и темно-синий, помогает этому процессу, давая растениям больше информации об окружающей среде и в целом приводит к более высокому качеству растений (более быстрый рост, большее накопление вторичных метаболитов и т. д.).Спектр, который содержит все цвета, называется полным спектром и больше всего напоминает солнечный свет. Если в нем много зеленого, свет будет казаться человеческому глазу белым, и, хотя это не является решающим фактором для роста растений, он упрощает работу с этими источниками света и делает возможным визуальный осмотр растений. (Подробнее: Почему светодиоды становятся фиолетовыми? )

 

 

 

 


Белые и розовые светодиодные лампы для выращивания растений (оба светодиодные лампы полного спектра).Слева — Valoya NS1, справа — Valoya AP673L.

Как растения реагируют на разные цвета света?

 

 

 

 

 

УФ: ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ в условиях сильного освещения и стимуляции химическими веществами, отпугивающими насекомых. Усиливает накопление пигмента в листьях, влияет на морфологию листьев и растений.

 

Синий: Сигнал на отсутствие соседей, не надо конкурировать за свет. Стимулирует раскрытие устьиц, торможение удлинения стебля, более толстые листья, ориентацию на свет и фотопериодическое цветение.

 

Зеленый, Желтый, Оранжевый: Сигнал соседей, конкурс на свет. Ответы напротив синего света; закрытие устьиц, некоторые симптомы избегания тени, усиленный фотосинтез в более глубоких слоях клеток.

 

 

Красный: Отсутствие сигнала соседей. Основной компонент, необходимый для фотосинтеза, ингибирование удлинения стебля, сигнальный свет

 

 

Дальний красный: сигнальная лампа; Сигнал соседей, конкурс на свет. удлинение, цветение.

 

 

 

Благодаря исследованиям мы можем определить оптимальный свет для роста растений. Важно учитывать, что разные растения по-разному реагируют на различные световые воздействия (даже разные штаммы одного и того же растения). Кроме того, растению в фазе цветения может потребоваться другая обработка светом, чем в фазе вегетации. Что касается самого света, то можно изменить несколько параметров:

  • Световой спектр (сочетание цветов, используемых для получения света)
  • Интенсивность света (обычно измеряется в мкмоль , количество фотонов, проецируемых на растения)
  • Фотопериод (количество часов, в течение которых растение подвергается воздействию света в течение 24 часов)
  • Однородность света (степень равномерного распределения света по кроне)

Другими словами, пользователям светодиодных ламп для выращивания растений необходимо применять индивидуальный подход при выращивании сельскохозяйственных культур, поскольку у каждого вида растений разные потребности.На практике это означает проведение испытаний перед запуском в крупносерийное производство. ( Подробнее: 8 советов по организации успешных испытаний растений со светодиодами)

Альтернативой этому является покупка светодиодных ламп для выращивания растений у компаний, которые занимаются исследованиями и предоставляют эти данные своим клиентам.

Откройте для себя революционные преимущества светодиодных светильников для выращивания растений

На ранних стадиях светодиодная технология считалась довольно непрактичной и неэффективной с точки зрения затрат.Благодаря новейшим технологическим достижениям производство светодиодных светильников для растений стало рентабельным. Кроме того, ряд доступных типов светодиодных чипов способствовал развитию более эффективной отрасли выращивания растений. В сочетании с традиционными системами HPS ( натрий высокого давления ) светодиоды выигрывают с точки зрения энергоэффективности, качества выращиваемых растений, а также экологичности.

Светодиоды

— это простые, но мощные, энергоэффективные лампы для выращивания растений по сравнению с преимущественно используемыми лампами HPS, которые постепенно воспринимаются как громоздкие, но менее надежные.Лампы HPS имеют более короткий срок службы, что делает их более дорогими в долгосрочной перспективе. Тепло, излучаемое натриевыми лампами, иногда полезно и эффективно в тепличных условиях, но делает их практически бесполезными для вертикальных ферм или камер выращивания. Светодиоды быстрее переключаются, более компактны (меньше по размеру) и воспринимаются как более полезные для окружающей среды. Кроме того, светодиодные лампы для выращивания растений выделяют меньше тепла накаливания, что влияет на потребности растений во влаге и питании. Небольшое количество выделяемого тепла излучается вверх и в сторону от растений, в отличие от HPS, где тепло направляется непосредственно на них, повышая температуру поверхности листьев и иногда сжигая растения.

По сути, революционные преимущества светодиодов по сравнению с обычными ДНаТ:

·       E экономическое потребление электроэнергии   –  Светодиодные лампы для выращивания растений потребляют до 50% энергии, потребляемой системами HPS, и некоторые эксперты ожидают еще более высокой эффективности светодиодов в ближайшем будущем

·       L Срок службы/долговечность лампы – Срок службы светодиодов выше, чем у ламп HPS; для сравнения, срок службы ламп HPS составляет 1 год, а срок службы светодиодов может достигать 8 лет (что соответствует 50 000 часов использования)

·       S маленькое пространство для удобства – поскольку светодиодные лампы для выращивания можно установить ближе к растениям, пространство для выращивания не обязательно должно быть очень высоким или широким

·       E энергоэффективность – светодиодные лампы для выращивания растений позволяют оптимизировать спектр, концентрируя энергию на длинах волн (цветах), которые наиболее выгодны для каждого применения и растения.Кроме того, снижение тепловыделения позволяет размещать светодиодные светильники ближе к растениям, обеспечивая меньшую потерю света в других местах.

·       F пожарная безопасность – поскольку светодиоды не сильно нагреваются по сравнению с обычными натриевыми лампами, их использование безопаснее

·       D imming – в то время как большинство натриевых ламп используют полную интенсивность света, светодиодные лампы для выращивания растений могут регулировать яркость даже с помощью пульта дистанционного управления или через приложение, и поэтому с ними проще обращаться, кроме того, что они потребляют меньше энергии

·       B Другие культуры – различные испытания показали, что светодиодные лампы для выращивания растений дают лучшие урожаи с точки зрения роста и роста растений по сравнению с лампами HPS.Кроме того, светодиоды могут быть изготовлены со спектром, направленным на конкретную цель, такую ​​как накопление антоцианов, подавление цветения, усиление укоренения и т.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.