Светодиоды. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
Светодиоды для человечества стали одним из наиболее распространенных источников света для промышленных и бытовых нужд. Этот полупроводниковый прибор имеет один электрический переход, он преобразует электроэнергию в энергию видимого светового излучения. Явление открыто Генри Джозефом Раундом в 1907 году. Первые эксперименты были поставлены советским физиком-экспериментатором О.В. Лосевым, которому в 1929 году удалось получить рабочий прототип современного светодиода.
Первые современные светодиоды (СД, СИД, LED) были созданы в начале шестидесятых годов. У них было слабое красное свечение, их применяли в качестве индикаторов включения в самых разных приборах. В 90-х появились синие, желтые, зеленые и белые светодиоды. Их стали выпускать в промышленных масштабах многие компании. Сегодня LED-диоды применяются повсеместно: в светофорах, лампочках, автомобилях и т.д.
Устройство
Светодиод представляет полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который создает оптическое излучение при прохождении через него тока в прямом направлении.
Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей:
1 — Эпоксидная линза
2 — Проволочный контакт
3 — Отражатель
4 — Полупроводник (Определяет цвет свечения)
5 и 6 — Электроды
7 — Плоский срез
В основании светодиода закрепляются катод и анод. Все устройство сверху герметично закрыто линзой. На катоде установлен кристалл. На контактах имеются проводники, которые подсоединены к кристаллу p-n-переходом (проволока соединения для объединения двух проводников с различными типами проводимости). Для создания стабильной работы светодиода применяется теплоотвод, который необходим для осветительных приборов. В индикаторных приборах тепло не имеет решающего значения.
DIP-диоды имеют выводы, которые монтируются в отверстия печатной платы, они при помощи пайки подсоединяются на электрический контакт. Имеются модели с несколькими кристаллами различного цвета в одном корпусе.
SMD-светодиоды сегодня являются наиболее востребованными источниками света любых форматов.- Основа корпуса, куда крепится кристалл, является отличным проводником тепла. Благодаря этому в разы улучшился отвод тепла от кристалла.
- В структуре белых светодиодов между линзой и полупроводником имеется слой люминофора, который нейтрализует ультрафиолет и задает необходимую цветовую температуру.
- В SMD-компонентах, имеющих широкий угол излучения, линза отсутствует. При этом сам светодиод выделяется формой параллелепипеда.
Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:
- На алюминиевую основу посредством диэлектрического клея крепят десятки кристаллов без подложки и корпуса.
- Полученная матрица покрывается общим слоем люминофора. В итоге получается источник света, который имеет равномерное распределение светового потока без возможности появления теней.
Разновидностью Chip-On-Board является Chip-On-Glass (COG) технология, предусматривающая размещение на поверхности из стекла множества мелких кристаллов. К примеру, это филаментные лампы, где излучающим элементом является стеклянный стержень со светодиодами, которые покрыты люминофором.
Принцип действияНесмотря на технологические особенности и разновидности, работа всех светодиодов основывается на общем принципе функционирования излучающего элемента:
- Преобразование электроэнергии в световой поток осуществляется в кристалле, который выполнен из полупроводников с самым разным типом проводимости.
- Материал с n-проводимостью обеспечивают путем легирования его электронами, а материал с p-проводимостью при помощи дырок. В результате в сопредельных слоях появляются дополнительные носители заряда разной направленности.
- При подаче прямого напряжения стартует движение электронов, а также дырок к p-n-переходу.
- Заряженные частицы проходят барьер и начинают рекомбинировать, вследствие этого протекает электрический ток.
- Процесс рекомбинации электрона и дырки в зоне p-n-перехода идет выделением энергии в качестве фотона.
В целом, указанное физическое явление свойственно всем полупроводниковым диодам. Однако длина волны фотона в большинстве случаев располагается за пределами видимого спектра излучения. Чтобы элементарная частица двигалась в диапазоне 400-700 нм, ученые проводили множество опытов и экспериментов с разными химическими элементами. В итоге появились новые соединения: фосфид галлия, арсенид галлия и более сложные формы. У каждой из них своя длина волны, то есть свой цвет излучения.
К тому же, кроме полезного света, который испускает светодиод, на p-n-переходе образуется некоторое количество теплоты, которое уменьшает эффективность полупроводникового прибора. Именно поэтому в конструкции мощных светодиодов предусматривается эффективный отвод тепла.
На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:
- Осветительные, то есть с большой мощностью. Их уровень освещенности равен вольфрамовым и люминесцентным источникам света.
- Индикаторные – с небольшой мощностью, их применяют для подсветки в приборах.
Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:
- Двойные GaP (галлий, фосфор) – имеют зеленый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
- Тройные AIGaAs (алюминий, мышьяк, галлий) – имеют желтый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
- Тройные GaAsP (мышьяк, галлий, фосфор) – имеют красный и желто-зеленый свет в структуре видимого спектра.
По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:
- DIP — устаревшая модель низкой мощности, их применяют для подсветки световых табло и игрушек.
- «пиранья» или Superflux – аналоги DIP, но с четырьмя контактами. Они применяются для подсветки в автомобилях, меньше нагреваются и лучше крепятся.
- SMD – самый распространенный тип, применяются во множестве источников света.
- COB – это усовершенствованные светодиоды SMD.
Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:
- Освещение.
- С использованием прямого света.
Светодиод в освещении применяется для освещения объекта, пространства или поверхности, вместо того, чтобы быть непосредственно видимым. Это интерьерная подсветка, фонарики, освещение фасадов зданий, освещение в автомобилях, подсветка клавиш мобильных телефонов и дисплеев и так далее. Широкое применение LED-диоды находят в коммуникаторах и сотовых телефонах.
Прямой светодиодный свет применяется для передачи информации, к примеру, в полноцветных видео дисплеях, в которых LED-диоды формируют пиксели дисплея, а также в алфавитно-цифровых табло. Прямой свет также применяется сигнальных устройствах. К примеру, это индикаторы поворота и стоп-сигналы автомобилей, светофоры и знаки.
Будущее светодиодовУченые создают светодиоды нового поколения, к примеру, на основе нано-кристаллических тонких пленок из перовскита. Они дешевые, эффективные и долговечные. Исследователи надеются, что такие LED-диоды будут применяться вместо обычных экранов ноутбуков и смартфонов, в том числе в бытовом и уличном освещении.
Создаются и волоконные LED-диоды, которые предназначены для создания носимых дисплеев. Ученые считают, что создаваемый метод производства волоконных светодиодов позволит наладить массовый выпуск и сделать интеграцию носимой электроники в одежду и текстиль совершенно недорогой.
Типичные характеристикиСветодиоды характеризуются следующими параметрами:
- Цветовая характеристика.
- Длина волны.
- Сила тока.
- Напряжение (тип применяемого напряжения).
- Яркость (интенсивность светового потока).
Светодиодная яркость пропорциональна протекающему через него току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость. Единицей силы света служит люмен на стерадиан, она также измеряется в милликанделах. Бывают яркие (20-50 мкд.), а также сверх яркие (20000 мкд. и более) LED-диоды белого свечения.
Величина падения напряжения – характеристика допустимых значений прямого и обратного включений. Если подача напряжений выше этих значений, то наблюдается электрический пробой.
Сила тока определяет яркость свечения. Сила тока осветительных элементов обычно равняется 20 мА, для индикаторных светодиодов она составляет 20-40 мА.
Цвет излучения светодиода зависит от активных веществ, внесенных в полупроводниковый материал.
Длина волны света определяется разностью энергий при переходе электронов на этапе рекомбинации. Она определяется легирующими примесями и исходным полупроводниковым материалом.
Достоинства и недостаткиСреди достоинств светодиодов можно отметить:
- Малое потребление электроэнергии.
- Долгий срок службы, измеряемый 30-100 тысячами часов.
- Высокая светоотдача. Светодиоды дают 10-250250 люменов светового потока на ватт мощности.
- Нет ядовитых паров ртути.
- Широкое применение.
Недостатки:
- Низкие характеристики у некачественных светодиодов, созданных неизвестными производителями.
- Сравнительно высокая цена качественных светодиодов.
- Необходимость качественных источников питания.
Похожие темы:
Светодиоды, как их делают
Светодиод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Уже в 2007 году, в одном из докладов на пекинской конференции Международной Комиссии по Освещению, была особо отмечена важность экономичности и экологичности как уже используемых, так и еще только разрабатываемых, более совершенных светотехнических изделий.
Первоочередной акцент был сделан докладчиками на более рациональное и эффективное использование света. И это вовсе не было призывом как-то уменьшать освещенность. В качестве одного из важнейших шагов к данной цели выделяется разработка и внедрение энергетически более эффективных и экологически безопасных источников света — светодиодов.
Высокотехнологичная отрасль
Светодиоды — это полупроводниковые электротехнические изделия, предназначенные для получения света благодаря проходящему через p-n-переход электрическому току. Но ведь не каждый p-n-переход излучает свет.
Чтобы получить свет от полупроводника, необходимо соблюсти определенные условия: запрещенная зона перехода на полупроводнике должна иметь такую ширину, чтобы энергия получаемых квантов оказалась близка к энергии квантов света видимого диапазона, при этом вероятность излучения в процессе рекомбинации электронно-дырочных пар должна получиться высокой.
Для соблюдения названных условий, изготавливаемый кристалл должен иметь минимум дефектов, приводящих к рекомбинации электронов с дырками без излучения. Этого достичь не просто, одного p-n-перехода будет недостаточно, приходится создавать многослойные полупроводниковые структуры — гетероструктуры, положившие, кстати, в свое время начало новому этапу на пути развития технологии производства светоизлучающих диодов.
Создание светодиодов сопряжено с определенными препятствиями, ведь эта светотехническая отрасль все время развивается, и определенных устоявшихся регламентов в ней до сих пор не существует.
Процесс производства светодиодов, а также способы их непосредственной эксплуатации, до сих пор не подчиняются каким-то общим документам, поэтому каждый крупный производитель вырабатывает собственные принципы отбора надлежащей продукции.
Международных соглашений нет. И даже несмотря на то, что за последние годы уже достигнуты некоторые очень позитивные результаты, единых требований к led-технике по-прежнему не выработано. И сейчас вы все поймете, поскольку далее мы рассмотрим поэтапно технологию производства светодиодов.
Формирование кристалла
Кристалл светодиода выращивается. Ключевой процесс во всей этой цепочке называется металлоорганической эпитаксией, при которой реализуется ориентированный эпитаксиальный рост кристалла на подложке.
Полупроводник выращивается путем термического пиролиза (разложения) металлорганических соединений, в которых содержатся нужные химические элементы. Тут обязательно присутствие чистых газов, наличие которых обеспечивается современными установками.
Выращиваемый слой должен иметь определенную толщину, которая контролируется в ходе процесса эпитаксии. При этом структура на поверхности подложки должна получиться однородной.
Надежные и качественные установки для осуществления эпитаксиального роста стоят очень дорого, а процесс получения материалов высокого качества для производства качественных светодиодов длится не один год.
Изготовление чипов
Для получения чипа, выращенный на подложке кристалл подвергают травлению, затем создают контакты и нарезают полученный образец на кусочки. Это называется «планарная обработка пленок». Одну целую пленку разрезают на тысячи маленьких чипов.
Сортировка чипов
Сортировка нарезанных чипов называется биннированием. Бины — это группы. Сортировка очень важна, но о ней часто забывают, разбирая процесс создания светодиодов.
Суть в том, что при любом производстве важно произвести отбор качественной продукции, а также отсортировать продукт по параметрам, по определенным критериям, что особенно важно для светодиодов. На стадиях эпитаксии, и после нарезки, невозможно получить тысячи абсолютно идентичных по характеристикам кристаллов (чипов).
Так или иначе их характеристики будут разниться, и окажутся в некотором достаточно широком диапазоне параметров. Именно поэтому чипы необходимо отсортировать по характеристикам в группы (бины), чтобы в каждой группе были чипы с определенным значением какого-то параметра, подходящие под требования диапазона той или иной группы: по длине волны, по напряжению, по световому потоку и т. д.
В результате биннирования светодиоды будут разделены по областям применения и даже по наименованиям. Одни пойдут на одни цели, другие — на другие. Круг потребителей продукта расширится.
Почти готовый светодиод
Непосредственно готовый светодиод получается на заключительном этапе технологической цепочки. Здесь создается корпус будущего источника света, припаиваются выводы, подбирается подходящий люминофор. Выбирается оптическая система, форма и параметры линзы.
Линзы изготавливают из различных материалов (эпоксидная смола, пластик, силикон). В зависимости от требований выбирают материал оптической системы. Требования очень широки, ведь именно оптическая система будет играть решающую роль в том, как будет направлен световой поток, каким будет телесный угол и т. д.
Особенности линз
Линзы должны быть по возможности максимально прозрачными, пропускать свет во всем видимом диапазоне. При этом линза должна хорошо приклеиться к материалу печатной платы, быть термостабильной на протяжении всего срока службы. Это значит, что линза не должна пострадать от излучения кристалла и химического воздействия люминофора, если он применен.
Процесс производства светодиодов на заводе ОПТОГАН:
Светодиоды
Светодиоды не зря считаются лучшими источниками света. Они отличаются малой потребляемой мощностью, отсутствием вредных компонентов, таких как ртуть, безопасным напряжением питания, высокой надежностью, компактностью и другими полезными качествами.
Именно светодиоды позволяют строить системы освещения и осветительные приборы самых разных форм и размеров, при этом высокого качества: прожекторы, светодиодные ленты, светильники, лампы, панели и т. д.
Неоспоримо одно — светодиодное направление в светотехнической отрасли динамично развивается во всем мире. Технология является предметом внимания высококлассных специалистов и ученых из многих стран. В ближайшем будущем однозначно будут достигнуты еще более впечатляющие показатели.
Ранее ЭлектроВести писали, что луганские энергетики объявили амнистию своим сотрудникам, которые воруют электроэнергию.
По материалам: electrik.info.
Статья об устройстве и принципах работы светодиодов
С 1963 года, когда был изобретен первый светодиод, началась активная работа над этим изделием. Из года в год технологии совершенствовались, и теперь светодиоды стали одним из самых популярных товаров на рынке осветительных приборов. Более того, было разработано несколько технологий производства, что создает дополнительные вопросы у покупателей. В данной статье будет раскрыта тема светодиодов как устройства в целом, а также будут разъяснены нюансы каждой из существующих технологий производства.
Светодиод и его устройство
Начнем с того, что выясним, что же такое светодиод. Итак, это изделие представляет собой полупроводниковый кристалл. В то время, когда на него подается электрический ток, возникает фотонное свечение за счет наличия у кристалла электронно-дырочного перехода (p-n переход). Углубляясь в физику, можно сказать, что при наличии энергии электроны с отрицательным зарядом устремляются к носителю положительного заряда. Это и создает световое излучение.
При этом специфическое свечение диодов, которое коренным образом отличается от свечения обычных лампочек, достигается за счет использования химического состава. На кристалл наносится люминофор, позволяющий добиться белого света. Без этого материала излучение было бы монохромным (синего, желтого или красного цвета).
Светодиоды типа DIP
Первые диоды производились по технологии DIP (dual in-line package). Рассмотрим их подробнее.
Чаще всего светодиод такого типа реализован в виде пластиковой или стеклянной колбочки. Внутри корпуса располагается катод с кристаллом, от которого к аноду протянут тонкий провод. Для подключения светодиода от катода и анода выведены металлические «ножки» за пределы корпуса. За плюс отвечает длинная ножка, а за минус короткая.
Помимо этого, довольно часто встречается конструкция, при которой в одну колбочку помещено сразу три кристалла (красный, синий и зеленый). В этом случае изделие оснащается управляющим микрочипом.
Для работы светодиодов типа DIP не требуется много энергии, поэтому их часто применяют при производстве уличных светодиодных экранов. Также такие диоды мы привыкли видеть на новогодних гирляндах.
Тем не менее технология активно развивалась и вскоре были разработаны SMD светодиоды.
Светодиоды типа SMD
У диодов такого типа отсутствуют ножки, так как они устанавливаются непосредственно на плату и припаиваются или приклеиваются специальным клеем. Размеры SMD светодиодов также меньше предшественников, поэтому их гораздо чаще применяют при обустройстве интерьера.
На сегодняшний день SMD-светодиоды считаются самыми популярными на рынке. За счет одновременного расположения кристалла и контактов на подложке, которая отводит тепло, светодиоды можно расположить достаточно близко друг к другу. Это актуально в тех случаях, когда их используют при производстве LED-экранов. Качество пикселя в этом случае в несколько раз лучше.
Особенностью технологии считается то, что люминофор располагается между кристаллом и линзой, отвечающей за рассеивание света. Такая конструкция позволяет исключить ультрафиолетовый диапазон и добиться необходимой световой температуры.
Светодиоды типа COB
Из самых последних разработок можно выделить светодиоды типа Chip-On-Board. Конструкция подобных диодов предполагает подложку из алюминия, на которую может устанавливаться несколько десятков кристаллов. Для крепления полупроводниковых элементов используется специальный клей, а затем кристаллы равномерным слоем заливаются люминофором.
Благодаря такой конструкции получается равномерное освещение без теней и темных пятен.
Эта технология также имеет несколько другую конструкцию, в которой вместо алюминиевой подложки используется стеклянная. Светодиоды типа Chip-On-Glass используются в приборах, рассчитанных на напряжение 220 В.
Любой светодиод вне зависимости от технологии, по которой он выполнен, имеет один и тот же принцип работы.
Свечение происходит в кристалле за счет взаимодействия разнонаправленных зарядов. Электроны устремляются к «дыркам» (носителю положительного заряда) и создается свечение с выделением тепла. Для качественной работы светодиодов и большому сроку их службы требуется система отвода тепла. Поэтому в колбочке, где размещаются светодиоды, находится специальный газ с высокой теплопроводностью. Именно за счет этого от колбочки отводится тепло, накапливаемое при работе светодиода.
MUZMART| Цвет | Длина волны (nm) | Прямое напряжение (V) | Материал полупроводника |
| Инфракрасный | λ > 760 | ΔV < 1.9 | Арсенид Галлия (GaAs) Арсенид Галлия и Алюминия (AlGaAs) |
| Красный | 610 < λ < 760 | 1.63 < ΔV < 2.03 | Арсенид Галлия и Алюминия (AlGaAs) Арсенид Фосфид Галлия (GaAsP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Галлия(III) (GaP) |
| Оранжевый | 590 < λ < 610 | 2.03 < ΔV < 2.10 | Арсенид Фосфид Галлия (GaAsP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Галлия(III) (GaP) |
| Желтый | 570 < λ < 590 | 2.10 < ΔV < 2.18 | Арсенид Фосфид Галлия (GaAsP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Галлия(III) (GaP) |
| Зеленый | 500 < λ < 570 | 1.9[32] < ΔV < 4.0 | Нитрид Галлия Индия (InGaN) / Нитрид Галлия(III) (GaN) Фосфид Галлия(III) (GaP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Алюминия Галлия (AlGaP) |
| Синий | 450 < λ < 500 | 2.48 < ΔV < 3.7 | Селенид Цинка (ZnSe) Нитрид Галлия Индия (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве подложки Кремний (Si) в качестве подложки — (в разработке) |
| Фиолетовый | 400 < λ < 450 | 2.76 < ΔV < 4.0 | Нитрид Галлия Индия (InGaN) |
| Пурпурный | 2.48 < ΔV < 3.7 | синий с красным фосфором, белый с пурпурным фильтром | |
| Ультрафиолетовый | λ < 400 | 3.1 < ΔV < 4.4 | Углерод — алмаз (235 nm) Нитрид Бора (215 nm) Нитрид Алюминия (AlN) (210 nm) Нитрид Алюминия Галлия (AlGaN) Нитрид Алюминия Галлия Индия (AlGaInN) — до 210 nm |
| Белый | Широкий спектр | ΔV = 3.5 | Синий/УФ диод и желтый фосфор |
разделение по классам и типам
В настоящее время светодиоды обрели широкую популярность. При этом четко разделить их по мощности, яркости свечения, области применения, форм-фактору и другим параметрам не представляется возможным, поскольку у каждого производителя своя классификация. Тем не менее, различные виды светодиодов можно объединить в классы по некоторым характерным признакам.
Индикаторные и осветительные LED
Чтобы яснее представлять, какие бывают светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.
Индикаторные используются в основном в целях цветовой индикации, а также при подсветке дисплеев, приборных панелей и других приборов. То есть это светодиоды сравнительно небольшой мощности (до 0.2 Вт) с умеренной яркостью.
Осветительные LED используются при освещении помещений в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется получить высокую интенсивность свечения. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.
Индикаторные LED
Индикаторные светодиоды, в свою очередь, можно разбить на несколько групп.
DIP светодиоды
Светодиоды этого типа представляют собой светоизлучающий кристалл в выводном корпусе, часто с выпуклой линзой. Типы корпусов: цилиндрические, диаметром 3, 4, 5, 8, 10… мм, и прямоугольные.
Выпускаются в очень широком диапазоне цветов – вплоть до ИК и УФ диапазонов. Могут быть как одноцветными, так и многоцветными (когда в одном корпусе сосредоточено несколько кристаллов разных цветов), — например, RGB.
Одним из недостатков этих LED можно отметить невысокий угол рассеяния светового потока: обычно не более 60⁰.
Super Flux “Piranha”
Конструктивно светодиоды Пиранья представляют собой сверхъяркие светодиоды в прямоугольном корпусе с четырьмя выводами. Такая конструкция позволяет надежно закрепить светодиод на плате.
Доступные разновидности: красный, зеленый, синий и три белых (различаются температурой свечения). Выпускаются в корпусах с линзой (3 и 5 мм) и без нее. Угол рассеяния варьируется в пределах от 40⁰ до 120⁰.
Область применения Piranha – подсветка автомобильных приборов, дневных ходовых огней, рекламных вывесок и т.д.
Straw Hat
Наряду с Piranha, большим углом рассеяния светового потока обладают светодиоды типа Straw Hat («соломенная шляпа»). Внешне они напоминают обычные цилиндрические двухвыводныне LED, но с меньшей высотой и увеличенным радиусом линзы, за что и получили свое название.
Излучающий кристалл в этих светодиодах расположен ближе к передней стенке линзы (не забудьте почитать про назначение линзы для светодиода), благодаря чему достигается угол рассеяния порядка 100-140⁰.
Выпускаются красные, синие, зеленые, желтые и белые LED. Благодаря способности создавать ненаправленное излучение, могут использоваться в декоративных целях, в качестве замены ламп аварийной тревоги и других местах, где требуется равномерная подсветка с низким энергопотреблением.
SMD светодиоды
Кроме выводных LED, выпускаются светодиоды типа SMD. Сюда следует отнести сверхъяркие цветные и белые светодиоды мощностью около 0.1 Вт в корпусе для поверхностного монтажа. Размеры корпусов обычно стандартные для любых элементов типа SMD: 0603, 0805, 1210 и т.д., где маркировка обозначает длину и ширину в сотых долях дюйма или в миллиметрах. При этом существуют как разновидности с выпуклой линзой, так и без нее.
Благодаря простоте монтажа, на основе этих LED выпускаются светодиодные ленты. Например, широкую известность в этой области приобрел светодиод Cree SMD 3528.
Осветительные LED
Эти светодиоды применяются при освещении помещений и улиц в составе фонарей, автомобильных фар, светодиодных лент и т.д. В связи с этим обладают большой мощностью, высокой интенсивностью излучения, и выпускаются только в белом цвете в корпусах для поверхностного монтажа.
Обычно производятся две разновидности, различающиеся цветовой температурой: cool white (холодный белый) и warm white (теплый белый).
Поскольку кристаллов, излучающих белый свет, в природе не существует, при производстве осветительных светодиодов прибегают к различным технологиям смешения трех базовых цветов (RGB). От способа их сложения зависит цветовая температура получаемого белого света.
Одним из способов получения белого свечения является покрытие излучающего кристалла тремя слоями люминофора, причем каждый слой отвечает за свой базовый цвет. Другой метод состоит в нанесении двух слоев люминофора на кристалл голубого цвета.
Осветительные SMD LED
Большинство осветительных светодиодов также выпускаются в корпусах SMD. В отличие от индикаторных, характеризуются большей мощностью и производятся только в белом цвете.
Стоит отметить, что некоторые осветительные LED небольшой мощности, например упомянутые выше SMD 3528, могут использоваться в качестве индикаторных, поэтому здесь разделение на типы довольно условное.
Основная область применения SMD – светодиодные ленты и лампы, переносные фонари, фары автотранспорта. При этом они дают довольно направленное излучение (порядка 100⁰-130⁰), поэтому при освещении больших территорий приходится использовать большое количество этих LED для равномерной засветки площади.
Конструктивно осветительные SMD представляют собой покрытый люминофором излучающий кристалл на теплоотводящей подложке, обычно медной или алюминиевой. Встречаются как разновидности с линзой, так и без нее.
COB светодиоды
Большое распространение получили светодиоды типа COB (Chip On Board, чип на плате). По сути, это интеграция большого количества (обычно несколько десятков) кристаллов SMD в одном корпусе, которые потом покрываются люминофором.
На картинке вверху показаны для сравнения Cree SMD 5050 (слева) и COB – матрица из 36 чипов (справа).
COB используются только для освещения. Их световой поток на порядок больше, чем у одиночных SMD. Однако следует учесть, что эти светодиоды не подойдут для создания узконаправленного излучения ввиду большого угла рассеяния светового потока. При этом создать абсолютно ненаправленное излучение тоже не получится – угол рассеяния светодиодов менее 180⁰.
Замечено, что некоторым людям неприятен спектр свечения светодиодов типа SMD или COB. Кроме того, недостаточное количество светодиодов при засветке больших площадей приводит к тому, что освещенность носит дискретный характер, то есть сильно освещенные участки чередуются со слабо освещенными. Это нужно учитывать при выборе осветительных LED.
Filament LED
Этот тип светодиодов также используется пока только для освещения. Широкое распространение получили в качестве декоративной подсветки помещений. Спектр свечения, в отличие от SMD и COB, гораздо приятнее человеческому глазу и напоминает свет лампы накаливания. При этом сохраняются все присущие LED достоинства: низкое энергопотребление и долгий срок службы.
В этом ролике демонстрируется сравнение декоративной лампы накаливания мощностью 40 Вт и лампы Filament на 4 Вт:
Здесь видно, что при мощности в 10 раз меньше, световой поток, отдаваемый лампой Filament, в 3-4 раза больше.
В то же время КПД Filament даже выше, чем у тех же SMD, — при одинаковой мощности первые позволяют получить большую освещенность. Это достигается за счет технологии COG (Chip On Glass, чип на стекле), при которой светоизлучающие кристаллы устанавливаются на стеклянную подложку, а затем покрываются люминофором.
Сама подложка имеет цилиндрическую форму, что позволяет получить угол рассеяния светового потока 360⁰. То есть такие LED очень хороши при создании ненаправленного излучения.
Лазерные диоды
И напоследок еще об одном типе, который нельзя отнести ни к индикаторным, ни к осветительным LED, – лазерный диод. Собственно, светодиодом его можно считать с натяжкой, поскольку по технологии производства он не имеет ничего общего с обычными LED.
Лазерные диоды представляют собой особым образом обработанные полупроводниковые кристаллы, которые при подаче напряжения генерируют очень узкий пучок света. При этом образцы нового поколения позволяют получить угол расхождения луча в пределах 5-10⁰. Встречаются как модели, работающие в видимом диапазоне, так и вне его (УФ и ИК).
Широкое применение эти диоды нашли в лазерных указках, целеуказателях, DVD-приводах, оптических компьютерных мышах, линиях оптоволоконной связи.
Заключение
Четко классифицировать все многообразие светодиодов достаточно сложно, поскольку редко те или иные LED производятся для каких-то конкретных целей. Тем не менее, основные направления их применения, — индикация и освещение, — пока остаются прежними, и приведенная здесь классификация подойдет для создания общего представления о видах светодиодов.
Светодиод — это… Что такое Светодиод?
Элемент — Светодиод | |
Тип — Активный электронный элемент | |
Принцип работы — Электролюминесценция | |
Изобретён — Олег Лосев (1927), Ник Холоньяк (1962) | |
Впервые создан — 1962 | |
Символьное обозначение — | |
Пин конфигурация — Анод и Катод |
Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.
В 1907 году Генри Джозеф Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.
Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены О. В. Лосевым в 1923 году, который, экспериментируя с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.
Вероятно, первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
История
Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремнияПервое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.
В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.
Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.
Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.
Вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды назывались «Losev Light» «Свет Лосева». В силу того, что в СССР в 1960-е годы такие науки, как кибернетика, генетика были в загоне, то таким мелочам, как светодиоды не уделялось должного внимания как со стороны академии наук, так и со стороны патентных организаций СССР. Постепенно название «Losev Light» упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.
Вклад советских учёных
Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи спая[1]. Теоретического объяснения явлению тогда не было.
| Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом. | Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения. | Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Яркость свечения сравнима с яркостью лампы накаливания мощностью 15 Вт. | Современные мощные сверх-яркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа. |
О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за СССР приоритет в области светодиодов[2], утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.
Характеристики
Обозначение светодиода в электрических схемахВольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.
Современные сверхъяркие светодиоды обладают менее выраженной полупроводимостью, чем обычные диоды. Высокочастотные пульсации в питающей цепи (т.н. «иголки») и выбросы обратного напряжения приводят к ускоренному деградированию кристалла. Скорость деградирования также зависит от питающего тока (нелинейно) и температуры кристалла (нелинейно).
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 26 апреля 2012. |
Цвета и материалы полупроводника
Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:
| Цвет | длина волны (нм) | Напряжение (В) | Материал полупроводника | |
|---|---|---|---|---|
| Инфракрасный | λ > 760 | ΔU < 1.9 | Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs) | |
| Красный | 610 < λ < 760 | 1.63 < ΔU < 2.03 | Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP) | |
| Оранжевый | 590 < λ < 610 | 2.03 < ΔU < 2.10 | Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP) | |
| Жёлтый | 570 < λ < 590 | 2.10 < ΔU < 2.18 | Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP) | |
| Зелёный | 500 < λ < 570 | 1.9[3] < ΔU < 4.0 | Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP) | |
| Голубой | 450 < λ < 500 | 2.48 < ΔU < 3.7 | Селенид цинка (ZnSe) Индия-галлия нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке) | |
| Фиолетовый | 400 < λ < 450 | 2.76 < ΔU < 4.0 | Индия-галлия нитрид (InGaN) | |
| Пурпурный | Смесь нескольких спектров | 2.48 < ΔU < 3.7 | Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком | |
| Ультрафиолетовый | λ < 400 | 3.1 < ΔU < 4.4 | Алмаз (235 nm)[4] Нитрид бора (215 nm)[5][6] | |
| Белый | Широкий спектр | ΔU ≈ 3.5 | Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором; |
Стоимость
Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока — порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.
К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверхмощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE 15-20$ CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10$.
Преимущества
По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:
- Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами[9] и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт.
- Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
- Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
- Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
- Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30% до 100% за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
- Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
- Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
- Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.
- Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия.
- Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
- Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.
Применение светодиодов
| Комнатное освещение | В светофорах | В автомобильных фарах |
- В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч. светодиодная лента)
- В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
- Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
- В оптопарах
- Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
- Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет[10])
- В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
- В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
- В светодиодных дорожных знаках.
- В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
Органические светодиоды — OLED
OLED дисплей Основная статья: OLEDМногослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.
Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.
Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.
Производство
Наиболее[источник не указан 41 день] крупным производителем светодиодов в мире является компания «Siemens» со своими дочерними предприятиями «Osram Opto Semiconductors» и «Osram Sylvania».
Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение Lumileds Lighting, а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.
«Nichia Chemical» — подразделение компании Nichia Corporation, где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: Cree, Emcore Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron, занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.
Крупнейшими[11] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г.Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод Samsung Electronics в Калужской области.
См. также
Примечания
Ссылки
Что такое светодиод. Краткое описание
В двух словах, светодиод (LED) представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электрического тока. Свет возникает, когда частицы, несущие ток (известные как электроны и дырки) объединяются в полупроводниковом материале в зоне p-n перехода.
Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…
Поскольку свет генерируется в твердом полупроводниковом материале, светодиоды описываются как твердотельные устройства. Термин твердотельное освещение, которое также включает в себя органические светодиоды (OLED), отличает эту технологию освещения от других источников света, таких как лампы накаливания, галогенные лампы, флуоресцентные лампы.
Различные цвета светодиодов
Внутри полупроводникового материала светодиода электроны и дырки находятся в энергетических зонах. Ширина запрещенной зоны определяет энергию фотонов (частиц света), излучаемых светодиодом.
Энергия фотона определяет длину волны испускаемого света и, следовательно, его цвет. Различные полупроводниковые материалы с различными запрещенными зонами создают разные цвета света. Точная длина волны (цвет) могут быть настроены путем изменения состава светоизлучающей или активной области.
Светодиоды состоят из соединений полупроводниковых элементов из III и V группы периодической таблицы химических элементов Менделеева. Примерами таких материалов, которые обычно используются в производстве светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP).
До середины 90-х годов светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, в частности, коммерческие синие и белые светодиоды не существовали. Разработка светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) завершила палитру цветов и открыла множество новых устройств.
Основные материалы, используемые при изготовлении светодиодов
Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства светодиодов, являются:
- InGaN: синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости
- AlGaInP: желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости
- AlGaAs: красные и инфракрасные светодиоды
- GaP: желтые и зеленые светодиоды
Подключение светодиодов
Как уже было сказано выше, светодиоды имеют различные цвета и рабочие напряжения. Важной характеристикой светодиода является его номинальный ток. В зависимости от рабочего напряжения нам необходимо рассчитать резистор для светодиода, чтобы избежать повреждения светодиода большим током.
Hantek 2000 — осциллограф 3 в 1
Портативный USB осциллограф, 2 канала, 40 МГц….
В электронных устройствах с напряжением питания 5 вольт для большинства маломощных светодиодов, как правило, резистора сопротивлением около 220 Ом вполне достаточно.
Светодиоды имеют полярность. Поэтому, чтобы светодиод светился, его анод должен быть соединен с плюсом источника питания, а катод с минусом. Обычно у светодиода ножка анода длиннее, чем ножка катода. К тому же, со стороны катода корпус светодиода скошен.
Не следует беспокоиться при ошибке в полярности подключения. Со светодиодом ничего не случиться, просто он не будет светиться. За исключением особого случая, когда вы подали очень большое напряжение.
Помимо простых светодиодов, существуют также RGB-светодиоды, которые могут отображать любой цвет, основанный на системе RGB. Светодиод RGB можно представить в виде отдельных трех светодиодов в одном корпусе: красный (R), зеленый (G), синий (B). Изменяя интенсивность свечения каждого из них, мы можем получить любой цвет.
У RGB светодиодов есть четыре вывода для подключения — по одному для каждого цвета (три вывода) и один для плюса (общий анод) или минуса (общий катод) питания.
Если у вас RGB светодиод с общим катодом, то схема подключения будет следующей:
Здесь мы видим, что три вывода подключаются через резисторы к источнику питания или к микроконтроллеру (например, Arduino), а четвертый вывод к минусу питания.
Если же у вас RGB светодиод с общим анодом, то схема подключения будет следующей:
Следует обратить внимание, что нужно подключать сопротивления к каждому цвету, поскольку светодиоды работают с меньшим напряжением, чем выход микроконтроллера. Обычно для светодиода красного цвета достаточно резистора сопротивлением 150-180 Ом и 75-100 Ом для зеленого и синего цвета.
Если у вас нет именно этих сопротивлений, то используйте большее сопротивление (это верно во всех случаях, когда сопротивление используется для защиты от перенапряжения — мы выбираем меньше напряжения, в пользу сохранения светодиода).
Новый недорогой энергоэффективный источник света
Светодиоды, изготовленные из нанокристаллов перовскита (зеленые), встроенные в металлоорганический каркас, могут быть созданы с небольшими затратами, с использованием материалов, распространенных на земле, и оставаться стабильными в типичных рабочих условиях. Предоставлено: изображение Национальной лаборатории Лос-Аламоса
.Прорыв в стабилизации нанокристаллов представляет собой недорогой, энергоэффективный источник света для бытовых электронных устройств, детекторов и медицинской визуализации.
Светодиоды (LED) — незамеченный герой светотехники. Они работают эффективно, выделяют мало тепла и служат долго. Теперь ученые ищут новые материалы для создания более эффективных и долговечных светодиодов для применения в бытовой электронике, медицине и безопасности.
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Брукхейвенской национальной лаборатории, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Национальной ускорительной лаборатории SLAC сообщают, что они приготовили стабильные нанокристаллы перовскита для таких светодиодов.Также вклад в работу внесла Academia Sinica на Тайване.
«Наши исследования показали, что этот подход позволяет нам существенно повысить яркость и стабильность светоизлучающих нанокристаллов». — Сюэдан Ма, ученый Аргоннского центра наноразмерных материалов
Перовскиты — это класс материалов, которые обладают определенной кристаллической структурой, придающей им светопоглощающие и светоизлучающие свойства, которые используются в ряде энергоэффективных приложений, включая солнечные элементы и различные типы детекторов.
Нанокристаллы перовскита были главными кандидатами в качестве нового материала для светодиодов, но при испытаниях оказались нестабильными. Исследовательская группа стабилизировала нанокристаллы в пористой структуре, называемой металлорганическим каркасом, или сокращенно MOF. Эти светодиоды, основанные на материалах, доступных на Земле, и изготовленные при комнатной температуре, однажды могут стать основой для более дешевых телевизоров и бытовой электроники, а также для создания более совершенных устройств формирования изображений гамма-излучения и даже рентгеновских детекторов с автономным питанием для применения в медицине, сканировании в целях безопасности. и научные исследования.
«Мы решили проблему стабильности перовскитных материалов, заключив их в структуры MOF», — сказал Сюэдан Ма, ученый из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM), Центра научных исследований Министерства энергетики США. «Наши исследования показали, что этот подход позволяет нам существенно повысить яркость и стабильность светоизлучающих нанокристаллов».
Синхан Цай, бывший научный сотрудник JR Оппенгеймера из Лос-Аламоса, добавил: «Интересная концепция объединения нанокристаллов перовскита в MOF была продемонстрирована в порошковой форме, но это первый раз, когда мы успешно интегрировали ее в качестве эмиссионного слоя в светодиод.”
Предыдущие попытки создать нанокристаллические светодиоды были сорваны из-за того, что нанокристаллы распадались обратно в нежелательную объемную фазу, теряя свои преимущества нанокристаллов и подрывая их потенциал в качестве практических светодиодов. Объемные материалы состоят из миллиардов атомов. Такие материалы, как перовскиты в нанофазе, состоят из групп от нескольких до нескольких тысяч атомов и, таким образом, ведут себя по-разному.
В своем новом подходе исследовательская группа стабилизировала нанокристаллы, изготовив их в матрице MOF, как теннисные мячи, застрявшие в сетке ограждения.Они использовали свинцовые узлы в каркасе в качестве прекурсора металла и галогенидные соли в качестве органического материала. Раствор галогенидных солей содержит бромид метиламмония, который реагирует со свинцом в каркасе, собирая нанокристаллы вокруг свинцового ядра, захваченного в матрице. Матрица удерживает нанокристаллы разделенными, поэтому они не взаимодействуют и не разрушаются. Этот метод основан на подходе к нанесению покрытия из раствора, что намного дешевле, чем вакуумная обработка, используемая для создания широко используемых сегодня неорганических светодиодов.
Стабилизированные MOF светодиоды могут быть изготовлены для создания яркого красного, синего и зеленого света, а также различных оттенков каждого из них.
«В этой работе мы впервые продемонстрировали, что нанокристаллы перовскита, стабилизированные в MOF, будут создавать яркие, стабильные светодиоды различных цветов», — сказал Ваньи Ни, ученый из Центра интегрированных нанотехнологий в Национальной лаборатории Лос-Аламоса. «Мы можем создавать разные цвета, улучшать чистоту цвета и увеличивать квантовый выход фотолюминесценции, который является мерой способности материала излучать свет.”
Исследовательская группа использовала Advanced Photon Source (APS), пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики в Аргонне, для выполнения рентгеновской абсорбционной спектроскопии с временным разрешением — метода, который позволил им обнаружить изменения в материале перовскита с течением времени. Исследователи смогли отслеживать электрические заряды, когда они перемещались по материалу, и узнали важную информацию о том, что происходит при испускании света.
«Мы могли сделать это только с помощью мощных одиночных рентгеновских импульсов и уникальной временной структуры APS», — сказал Сяои Чжан, руководитель группы в Аргоннском отделении рентгеновских исследований.«Мы можем проследить, где заряженные частицы были расположены внутри крошечных кристаллов перовскита».
При испытаниях на долговечность материал показал хорошие результаты в условиях ультрафиолетового излучения, тепла и электрического поля, не ухудшая и не теряя своей светоизлучающей и светоизлучающей эффективности, что является ключевым условием для практических применений, таких как телевизоры и детекторы излучения.
Ссылка: «Яркие и стабильные светодиоды на основе нанокристаллов перовскита, стабилизированных в металлоорганических каркасах» Синхан Цай, Шриту Шреста, Рафаэль А.Вила, Вэньсяо Хуанг, Цуньмин Лю, Ченг-Хун Хоу, Синь-Сян Хуанг, Сивен Вэнь, Минсин Ли, Гэри Видеррехт, И Цуй, Мирча Котлет, Сяои Чжан, Сюэдань Ма и Ваньи Ни, 6 сентября 2021 г., Nature Photonics .
DOI: 10.1038 / s41566-021-00857-0
аргонских исследователей, в том числе Сюэдан Ма, Гэри Видеррехт и Ксивен Вэнь из CNM, а также Сяои Чжан и Цуньмин Лю из APS. Среди исследователей из других учреждений — Синхан Цай, Шриту Шреста, Рафаэль А.Вила, Вэньсяо Хуанг, Ченг-Хун Хоу, Синь-Сян Хуанг, Минсин Ли, И Цуй, Мирча Котлет и Ваньи Не.
Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США профинансировало аргоннскую часть этой работы. В рамках этого исследования использовались секторы 8-ID-E и 11-ID-D усовершенствованного источника фотонов.
Светодиод＜ Что такое светодиоды и как они работают? ＞ | Основы электроники
Что такое светодиоды?
Светодиоды— это тип полупроводника, который называется «светоизлучающий диод». Белые светодиоды, которые получили практическую реализацию благодаря использованию синих светодиодов высокой яркости, разработанных в 1993 году на основе нитрида галлия, привлекают повышенное внимание как 4-й тип источника света.
Как светодиоды излучают свет?
Светодиоды(светоизлучающие диоды) представляют собой полупроводниковые источники света, которые объединяют полупроводник P-типа (большая концентрация дырок) с полупроводником N-типа (большая концентрация электронов). Приложение достаточного прямого напряжения заставит электроны и дырки рекомбинировать в P-N переходе, высвобождая энергию в виде света.
По сравнению с традиционными источниками света, которые сначала преобразуют электрическую энергию в тепло, а затем в свет, светодиоды (Light Emitting Diodes) преобразуют электрическую энергию непосредственно в свет, обеспечивая эффективное производство света с небольшими потерями электроэнергии.
Типы светодиодов
Доступны светодиоды двух типов: ламповые (с выводами) и микросхемы (для поверхностного монтажа). Пользователи могут выбрать идеальный тип на основе установленных требований.
Длина волны и цвет
Цвет светодиода (длина волны излучения) будет меняться в зависимости от используемых материалов. Это позволяет настроить цвет в соответствии с определенными спецификациями длины волны, необходимыми для приложений, которые используют традиционные лампы в качестве источников света (для которых существуют стандарты), таких как светофоры и автомобильные лампы.
Для обозначения цвета используются две спецификации длины волны: λP (пиковая длина волны) и λD (доминирующая длина волны), при этом λD соответствует цвету, фактически наблюдаемому человеческим глазом.
Как создается белый свет?
Есть несколько методов получения белого света с помощью светодиодов. Ниже приведены 2 типичных метода эмиссии.
Синий светодиод ＋ Желтый люминофор
Комбинация синего светодиода с желтым люминофором, который является дополнительным цветом, дает белый свет.Этот метод проще других решений и обеспечивает высокую эффективность, что делает его наиболее популярным выбором на рынке.
Красный светодиод ＋ Зеленый светодиод ＋ Синий светодиод
Сочетание трех основных цветов приведет к белому свету. Обычно этот метод используется не для освещения, а для полноцветных светодиодных устройств.
Светоизлучающий диод
LED К странице продукта
ROHM включает в себя светоизлучающие диоды с боковым излучением, с задним креплением и тип лампы в дополнение к стандартным типам SMD.
Как работают светоизлучающие диоды
Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Вообще говоря, полупроводник — это материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников сделано из плохого проводника, в который были добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется легированием .
В случае светодиодов материалом проводника обычно является арсенид алюминия-галлия (AlGaAs).В чистом арсениде алюминия-галлия все атомы идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов (отрицательно заряженных частиц) для проведения электрического тока. В легированном материале дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дыры, по которым электроны могут уходить. Любое из этих изменений делает материал более проводящим.
Полупроводник с дополнительными электронами называется материалом N-типа , поскольку в нем есть дополнительные отрицательно заряженные частицы.В материале N-типа свободные электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.
Полупроводник с дополнительными дырками называется материалом P-типа , так как он фактически содержит дополнительные положительно заряженные частицы. Электроны могут прыгать от отверстия к отверстию, перемещаясь из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В результате кажется, что сами отверстия перемещаются из положительно заряженной области в отрицательно заряженную.
Диод состоит из секции материала N-типа, прикрепленной к секции материала P-типа, с электродами на каждом конце.Это устройство проводит электричество только в одном направлении. Когда на диод не подается напряжение, электроны из материала N-типа заполняют отверстия из материала P-типа вдоль стыка между слоями, образуя зону обеднения. В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в свое исходное изолирующее состояние — все дырки заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых пространств для электронов, и электричество не может течь.
Чтобы избавиться от зоны истощения, вы должны заставить электроны двигаться из области N-типа в область P-типа, а дырки — в обратном направлении.Для этого вы подключаете сторону N-типа диода к отрицательному концу цепи, а сторону P-типа — к положительному концу. Свободные электроны в материале N-типа отталкиваются отрицательным электродом и притягиваются к положительному электроду. Отверстия в материале P-типа перемещаются в другую сторону. Когда разность напряжений между электродами достаточно высока, электроны в зоне обеднения выталкиваются из своих отверстий и снова начинают свободно перемещаться. Зона обеднения исчезает, и заряд перемещается по диоду.
Если вы попытаетесь пропустить ток другим способом, когда сторона P-типа подключена к отрицательному концу цепи, а сторона N-типа подключена к положительному концу, ток не будет течь. Отрицательные электроны в материале N-типа притягиваются к положительному электроду. Положительные отверстия в материале P-типа притягиваются к отрицательному электроду. Через переход не протекает ток, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении. Зона истощения увеличивается.(См. «Как работают полупроводники» для получения дополнительной информации обо всем процессе.)
Взаимодействие между электронами и дырками в этой установке имеет интересный побочный эффект — оно генерирует свет!
ВИДС | Автомобильное светодиодное освещение
«Я не получал ничего, кроме первоклассных услуг и продуктов от ВЛЭДС. Я очень рекомендую их продукцию всем, кто ищет светильники. Здесь качественно построенная продукция. ”
Роберт И.Facebook
«Не могу сказать достаточно о качестве обслуживания клиентов и продукции. Они сами проектируют и конструируют свою продукцию. Поистине замечательно, каких успехов они смогли добиться в отрасли. Буду продолжать покупать у них. Продолжайте в том же духе, ребята! ”
Маирук А. Facebook
«Лучшее освещение — ничто другое не сравнится.Отличные цены, отличное качество и быстрая доставка ».
Крис С. Facebook
«Купил резисторы VLEDS по настоятельной рекомендации и отправил мне за границу в течение 3 дней. Очень впечатляющий сервис ».
Даррелл Б. Facebook
«Их продукция дорогая, но вы получаете то, за что платите.Я купил всего 8 лампочек. Качество потрясающее. У меня с самого начала была одна неисправная, может быть, плохая связь, но их обслуживание клиентов было отличным, и я отправил один в течение нескольких минут. ”
Дэниел Г. Facebook
«Я несколько раз покупал у VLEDS с тех пор, как они начали свой бизнес много лет назад. Команда всегда оперативно отвечает на вопросы, быстро доставляет и заменяет единственный плохой продукт, который я когда-либо получал в течение дня, без каких-либо вопросов.Товары очень качественные, с ними не пожалеешь. ”
Грег Б. Facebook
часто задаваемых вопросов по светодиодам | Светодиодное Освещение
Что означает светодиод?
LED — сокращение от LED.
Как долго работают светодиоды?
Светодиодыотличаются исключительно долгим сроком службы. Многие светодиоды имеют номинальный срок службы до 50 000 часов.Это примерно в 50 раз дольше, чем у обычной лампы накаливания, в 20-25 раз дольше, чем у типичного галогена, и в 8-10 раз дольше, чем у типичного КЛЛ. При использовании 12 часов в день 50 000 лампочек прослужат более 11 лет. Используется 8 часов в день, прослужит 17 лет!
Где можно использовать светодиоды?
Их можно использовать практически везде. Замена светодиодов уже доступна для таких типов ламп, как A-образные, отражатели PAR, отражатели MR, декоративные, подкладные и другие.При использовании с диммерами, особенно с системами диммирования, которые поддерживают множество ламп, мы рекомендуем сначала протестировать несколько светодиодов для проверки совместимости.
Следует ли использовать светодиоды в закрытых светильниках?
Закрытые приспособления — это не только воздухонепроницаемые приспособления, но также приспособления, закрытые сбоку, сзади и открытые спереди, такие как многие головки гусениц. Светодиоды, которые используются в светильниках, где длина окружности лампы меньше 1/2 дюйма при установке в приспособление, также считаются закрытым приложением.Если вы планируете использовать светодиоды в этих типах приложений, вам следует использовать светодиоды, предназначенные для закрытых светильников. Использование светодиодной лампы, не предназначенной для закрытых светильников, в этом типе применения может вызвать мерцание светодиодной лампы и значительно сократить срок ее службы.
Bulbs.com теперь предлагает широкий ассортимент закрытых светодиодов с различными формами ламп. Светодиоды, не предназначенные для закрытых светильников, должны использоваться только в светильниках, открытых спереди, где линзы лампы открыты по бокам и сзади, и должны иметь пространство не менее 1/2 дюйма по окружности лампы.
Каковы преимущества перехода на светодиоды?
Преимущества перехода на светодиоды многочисленны. Вот лишь некоторые из преимуществ: светодиоды потребляют гораздо меньше электроэнергии, чем другие лампы, имеют чрезвычайно длительный срок службы, выделяют очень мало тепла, не излучают ультрафиолетовое или инфракрасное излучение, не содержат ртути, устойчивы к ударам и вибрации и могут эффективно работать. в очень холодных условиях. Для получения дополнительной информации о преимуществах светодиодов см. Светодиод: подходит ли он вам ?.
Почему светодиоды стоят дороже, чем другие типы лампочек? Они того стоят?
Светодиодпо-прежнему является новой технологией, и затраты на производство качественного продукта по-прежнему высоки. Однако цены резко снизились всего несколько лет назад, и ожидается, что цены будут продолжать падать. Что касается того, стоят ли светодиоды дополнительных затрат, полезно посмотреть на стоимость эксплуатации лампы в дополнение к первоначальным затратам. Экономия энергии, реализованная при переходе на светодиоды, означает, что дополнительные первоначальные затраты часто окупаются довольно быстро, и вы экономите деньги в течение всего срока службы лампы.Если вы хотите увидеть это в действии, ознакомьтесь с нашим калькулятором экономии энергии. Вот пример: для частного потребителя, у которого свет может гореть всего 10 часов в неделю, окупаемость составляет более 10 лет. С другой стороны, клиент розничной торговли или ресторана, который горит светом 90-100 часов в неделю, рассчитывает, что окупаемость светодиодного PAR стоимостью 70 долларов составит менее 18 месяцев. При принятии решения о том, подходит ли вам светодиодный светильник, обязательно следует учитывать оценку окупаемости.
Есть ли разница между светодиодом за 10 долларов и светодиодом за 50 долларов?
Да.Светодиоды очень похожи на бытовую электронику, и качество действительно имеет значение. Чтобы светодиод работал должным образом и обеспечивал приемлемый световой поток, все компоненты должны быть долговечными. Всегда полезно покупать у производителя и продавца, которые, как вы уверены, поддержат продукт. Если вы хотите узнать больше о компонентах и о том, как дешевые светодиоды сочетаются с высококачественным продуктом, посмотрите «Рассказ о двух лампочках».
Будет ли светодиод давать достаточно света, чтобы заменить мою нынешнюю лампочку?
Для большинства приложений да.Стандартные светодиодные продукты теперь надежно заменяют лампы накаливания мощностью до 100 Вт, а специальные продукты доступны для замены даже более высоких ватт. Если вы хотите узнать больше о светоотдаче светодиодов, прочтите эту статью о светоотдаче.
Какое качество светодиодного освещения?
При покупке качественного товара качество света отличное. Индекс цветопередачи (CRI) обычно используется для измерения качества света по шкале от 1 до 100. Большинство светодиодов имеют рейтинг CRI не менее 80, а многие — от 90 и выше.
CRI
Индекс цветопередачи— это международная система, используемая для оценки способности лампы отображать цвета объекта. Чем выше индекс цветопередачи (по шкале от 0 до 100), тем более насыщенными и точными становятся цвета. Различия CRI между лампами обычно не видны глазу, если разница не превышает 3-5 баллов.
Насколько зеленые светодиоды?
светодиода очень зеленые.Во-первых, они потребляют гораздо меньше электроэнергии, чем многие другие осветительные приборы. Это означает, что для их эксплуатации необходимо производить меньше электроэнергии, что приводит к снижению выбросов электростанций, особенно в районах, где распространены угольные электростанции. В отличие от КЛЛ они не содержат ртути. Благодаря своему долгому сроку службы они также сокращают объем твердых отходов: заменив лампу накаливания светодиодной, вы предотвратите выброс 50 ламп накаливания на 1000 часов работы. Кроме того, они выделяют очень мало тепла и могут снизить потребление энергии, связанной с HVAC.Министерство энергетики США подсчитало, что более широкое внедрение светодиодов в течение следующих 15 лет также снизит потребность в электроэнергии от освещения на 62 процента, предотвратит выбросы углерода на 258 миллионов метрических тонн и устранит необходимость в 133 новых электростанциях.
Можно ли использовать светодиоды с диммерами?
Обычно да. Многие светодиоды специально указаны как регулируемые. Некоторые системы затемнения работают со светодиодами лучше, чем другие, поэтому лучше всего протестировать одну или две, прежде чем полностью повторно осветить пространство.
Существуют ли скидки / льготы / налоговые льготы при переходе на LED?
Во многих случаях да. Чтобы узнать, имеете ли вы право на скидку или другую программу поощрения, вы можете обратиться к сайту DSIRE Министерства энергетики США или позвонить специалисту по освещению Bulbs.com.
Pololu — светодиоды
Сравнить все товары в этой категории
Подкатегории
Гибкие светодиодные ленты RGB позволяют легко добавлять яркое, красочное и динамическое освещение, которое можно использовать для украшения, интерактивных дисплеев или функциональной обратной связи.
Массивы светодиодов RGB для создания ярких и красочных анимированных или интерактивных дисплеев.
Благодаря встроенным светодиодным драйверам SK9822 или APA102, эти адресуемые светодиоды RGB и светодиодные ленты представляют собой простой способ добавить сложные световые эффекты в ваш проект. Они оснащены интерфейсом SPI и позволяют независимо управлять цветом и яркостью каждого светодиода.
Благодаря встроенным светодиодным драйверам SK6812, WS2811 или WS2812, эти адресуемые светодиоды RGB и светодиодные ленты представляют собой простой способ добавить сложные световые эффекты в ваш проект.Их высокоскоростной однопроводный интерфейс позволяет управлять большим количеством светодиодов с одного контакта ввода / вывода.
Товаров в категории «Светодиоды»
Эта упаковка из 10 светодиодов , 5 мм, , сквозных отверстий RGB, предлагает простой способ добавить в проект красочные и сложные световые эффекты. Каждый рассеянный светодиод оснащен встроенным драйвером WS2811, который работает от 5 В и управляется через высокоскоростной однопроводной цифровой интерфейс, который позволяет соединять несколько светодиодов вместе для формирования цепочки адресуемых светодиодов RGB.
Эта упаковка из 10 светодиодов 8 мм со сквозным отверстием RGB предлагает простой способ добавить в проект красочные и сложные световые эффекты. Каждый рассеянный светодиод оснащен встроенным драйвером WS2811, который работает от 5 В и управляется через высокоскоростной однопроводной цифровой интерфейс, который позволяет соединять несколько светодиодов вместе для формирования цепочки адресуемых светодиодов RGB.
Эти многоцветные светодиоды содержат элементы красного, зеленого и синего (RGB), которые можно смешивать для получения разных цветов.Три цветных элемента имеют общий анод и заключены в рассеянную белую линзу, которая смешивает цвета и расширяет угол обзора. Этот продукт представляет собой набор из пяти (5) светодиодов RGB .
Это базовый красный светодиод общего назначения в стандартном корпусе T1 (3 мм) с шагом выводов 0,1 дюйма.
Это базовый зеленый светодиод общего назначения в стандартном корпусе T1 (3 мм) с шагом выводов 0,1 дюйма.
Это основной желтый светодиод общего назначения в стандартном корпусе T1 (3 мм) с 0.Расстояние между выводами 1 дюйм.
Этот небольшой ИК-пульт дистанционного управления излучает модулированный ИК-сигнал с частотой 38 кГц, который можно использовать для управления роботом или другим электронным проектом через всю комнату. Он имеет 21 кнопку, включая кнопки со стрелками и кнопки ввода цифр.
