Светоизлучающий диод: Светоизлучающий диод — это… Что такое Светоизлучающий диод?

Содержание

Светоизлучающий диод — это… Что такое Светоизлучающий диод?

Светодиоды

Светодиоды высокой мощности

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Как и в нормальном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа A

IIIBV (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. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Светодиоды используются в сигнальных и осветительных приборах, например, в «твердотельных лампах».

История

Первое известное сообщение о излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

Вклад советских учёных

Обозначение светодиода в электрических схемах

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи p-n-перехода[1].

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 Россией приоритет в области светодиодов.[2]

За изучение в 60-х гг. многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур, российский физик академик Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию 2000 года.

Применение светодиодов

Светодиодный фонарь для сценического освещения

Применение светодиодов в фарах
  • В уличном, промышленном, бытовом освещении.
  • В качестве индикаторов, 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 кластеры светодиодов, светодиодные кластеры, или просто кластеры.
  • 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)
  • В подсветке ЖК экранов (мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты, мониторы и т. д.)

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные 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, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна проблема, 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, причем 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 широко применяются в сотовых телефонах,

См. также

Ссылки

Производители светодиодов
Познавательные статьи о светодиодах

Примечания

  1. ФИЗИК ЛОСЕВ Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
  2. О. В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов

Светодиод светоизлучающий диод история открытия характеристики цвета и материалы

08.03.2016

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED, англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары «карборунд — стальная проволока», Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода.

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).

В ходе одного из опытов в 1927 году Рём заливает пробу с акриловой кислотой в полость между двумя силикатными стеклами. Затвердевший полимер прочно соединил их – и химик получил первое в мире безопасное многослойное стекло, назвав новый продукт Luglas.

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. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

История

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным 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.

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. Теоретического объяснения явлению тогда не было.

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, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

Характеристики

Вольт-амперная характеристика светодиода в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

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 проводника
          Инфракрасный    λ > 760    U < 1,9    Арсенид галлия (GaAs)
   Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
          Красный    610 < λ < 760    1,63 < U < 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 < U < 2,10    Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
   Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
   Галлия(III) фосфид (GaP)
          Жёлтый    570 < λ < 590    2,10 < U < 2,18    Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
   Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
   Галлия(III) фосфид (GaP)
          Зелёный    500 < λ < 570    1,9 < U < 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 < U < 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 < U < 4,0    Индия-галлия нитрид (InGaN)
          Пурпурный    Смесь нескольких спектров    2,48 < U < 3,7    Двойной: синий/красный диод,
   синий с красным люминофором,
   или белый с пурпурным пластиком
          Ультрафиолетовый    λ < 400    3,1 < U < 4,4    Алмаз (235 nm)
   Нитрид бора (215 nm)
   Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)
   Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
   Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) (менее 210 nm)
          Белый    Широкий спектр    U ≈ 3,5    Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором

Светоизлучающие диоды

Добавлено 13 июня 2017 в 17:30

Сохранить или поделиться

Диоды, как и все полупроводниковые приборы, управляются принципами, описанными в квантовой физике. Одним из этих принципов является излучение лучистой энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Это тот же принцип работы, что и в неоновой лампе, характерно розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за спецефических энергетических переходов его электронов при протекании электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы связан с тем, что внутри трубки находится неоновый газ, а не с величиной тока, протекающего через трубку, и не с напряжением, приложенным к двум электродам. Неоновый газ светится розовато-оранжевым цветом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент обладает своим собственным характерным излучением лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными, квантованными энергетическими уровнями. Газ водорода, например, при ионизации светится красным цветом, а пары ртути светятся синим. Именно это делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.

Электроны, протекающие через PN переход, испытывают аналогичные переходы энергетических уровней и также излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и содержащимися в нем элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из специальных химических соединений, при изменении электронами энергетических уровней излучают лучистую энергию в спектре видимого света. Проще говоря, эти переходы светятся при подаче прямого смещения. Диод, специально разработанный для свечения, как лампа, называется светоизлучающим диодом, или светодиодом, или LED.

Кремниевые диоды с поданным прямым смещением выделяют тепло в виде электронов и дырок из областей N-типа и P-типа, соответственно, рекомбинирующих в переходе. В светодиоде с поданным прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области (рисунок (c) ниже) производит фотоны. Этот процесс известен как электролюминисценция. Чтобы выдать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем у кремниевого диода. Прямое падение напряжения на диоде может варьироваться до нескольких вольт для светодиодов некоторых цветов.

Светодиоды, изготовленные из соединения элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемого арсенид-фосфид галлия), светятся ярко красным цветом и являются самыми распространенными производимыми светодиодами. Изменяя химический состав PN перехода, можно получить различные цвета. Ранние поколения светодиодов были красного, зеленого, желтого, оранжевого и инфракрасного цвета; последующие поколения включают в себя синий и ультрафиолетовый цвета, причем фиолетовый цвет был последним добавленным цветом. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух и более светодиодов основных цветов (красный, зеленый и синий) в один корпус, используя одну общую оптическую линзу. Это позволило создавать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), использующие красный и зеленый цвета (которые могут вместе давать желтый), а затем RGB светодиоды (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь спектр цветов.

Условным обозначением светодиода является обозначение обычного диода внутри круга с двумя маленькими стрелками, направленными от него (указывают на испускание света), показано на рисунке (a) ниже.

Светодиод (LED): (a) Условное графическое обозначение. (b) Срез и короткий вывод прибора соответствуют катоду, а также внутреннему расположению катода. (c) Светодиод в разрезе.

Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, направленных от устройства, является общим для условных графических обозначений всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство активируется светом (что означает, что входящий свет стимулирует его), то условное обозначение будет иметь две маленькие стрелки, направленные на него. Светодиоды могут быть чувствительны к свету. При воздействии света они генерируют небольшое напряжение, подобно солнечному элементу в небольшом масштабе. Это свойство может быть эффективно применено в различных светочувствительных схемах.

Поскольку светодиоды изготавливаются из различных химических веществ, в отличие от кремниевых диодов, их прямые падения напряжения могут быть разными. Как правило, светодиоды имеют гораздо большее падение прямого напряжения, чем у выпрямительных диодов, от примерно 1,6 вольта до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типовой рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет примерно 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно с светодиодом «понижающий» (токоограничивающий) резистор, чтобы помешать полному напряжению источника вывести светодиод из строя. Рассмотрим пример схемы на рисунке (a) ниже с использованием источника 6 В.

Подключение светодиода с током 20 мА (a) к источнику 6 В, (b) к источнику 24 В.

При падении напряжения на светодиоде 1,6 вольта, на резисторе упадет 4,4 вольта. Определить номинал резистора для тока светодиода 20 мА очень просто, необходимо взять падение напряжения (4,4 вольта) и разделить его на ток в цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R=U/I). Это дает нам значение 220 Ом. Вычисляя рассеиваемую резистором мощность, мы берем падение напряжения на нем и умножаем его на ток (P=IU), и в итоге получаем 88 мВт, что соответствуют резистору мощностью 0,125 Вт. Для более высоких напряжений аккумулятора потребуются более высокоомные токоограничивающие резисторы, и, возможно, с большей номинальной мощностью. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для источника питания 24 вольта.

Здесь понижающий резистор должен быть увеличен до 1,12 кОм, чтобы на нем падало 22,4 вольта при токе 20 мА, чтобы светодиод по-прежнему получал только 1,6 вольта. Это также приводит к большей рассеиваемой на резисторе мощности: 448 мВт, мощность почти полватта! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности 0,125 ватта или даже 0,25 ватт, если будет здесь использоваться, то будет перегреваться.

Номиналы токоограничивающих резисторов не обязательно должны точно соответствовать расчетам светодиодных цепей. Предположим, что мы должны использовать резистор номиналом 1 кОм, вместо 1,12 кОм, в схеме, показанной выше. Результатом будет немного большие ток в цепи и падение напряжения на светодиоде, что приведет к более яркому свету от светодиода и небольшому сокращению его срока службы. Понижающий резистор со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм, вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току в цепи, к меньшему напряжению на светодиоде и к более тусклому свету. Светодиоды довольно терпимы к изменению приложенной мощности, поэтому вам не нужно стремиться к идеально точному подбору номинала токоограничивающего резистора.

Иногда требуется использовать несколько светодиодов, скажем, для подсветки. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой токоограничивающий резистор, как показано на рисунке (a) ниже, чтобы обеспечить более равномерное распределение токов. Тем не менее, более эффективно использовать светодиоды, работающие последовательно (рисунок (b) ниже) с одним понижающим резистором. Поскольку количество светодиодов в последовательной цепи увеличивается, номинал резистора должен быть уменьшен для поддержания тока на определенном значении. Количество светодиодов в последовательной цепи не может превышать возможности источника питания. Можно использовать несколько последовательных цепей, как показано на рисунке (c) ниже.

Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий между отдельными компонентами. Для критически важных применений компоненты могут подобраны для совпадения яркостей.

Несколько светодиодов: (a) параллельно, (b) последовательно, (c) последовательно-параллельно

Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкое значение максимального обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды. Типовой светодиод может быть рассчитан только на 5 вольт в режиме обратного смещения. Поэтому при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите параллельно, но в противоположном направлении светодиоду защитный выпрямительный диод, чтобы предотвратить обратный пробой во время отрицательных полупериодов (рисунок ниже).

Управление светодиодом с помощью переменного напряжения

«Антипараллельный» диод на рисунке выше может быть заменен «антипараллельным» светодиодом. Полученная пара антипараллельных светодиодов будет загораться в чередующихся полупериодах синусоиды переменного напряжения. Эта схема будет потреблять 20 мА, разделяя их поровну между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного напряжения. Благодаря совместному использованию каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое можно сказать об антипараллельном включении светодиода с выпрямительным диодом. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требуется 20 мА, то номинал резистора может быть уменьшен в два раза.

Прямое падение напряжения светодиода обратно пропорционально длине волны (λ). Поскольку длина волны уменьшается от инфракрасного света до видимых цветов и далее до ультрафиолетового света, VF в это же время увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна из спецификаций на различные устройства от одного производителя, диапазон напряжений для конкретного цвета от разных производителей может варьироваться. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.

Оптические и электрические свойства светодиодов
Светодиодλ, нм (= 10-9 м)VF (от)VF (до)
инфракрасный9401,21,7
красный6601,52,4
оранжевый602–6202,12,2
желтый, зеленый560–5951,72,8
белый, синий, фиолетовый34
ультрафиолетовый3704,24,8

Как осветительные устройства, светодиоды превосходят лампы накаливания во многих отношениях. В первую очередь, это эффективность: светодиоды выдают гораздо больше мощности света на ватт подводимой электрической мощности, чем лампа накаливания. Это является существенным преимуществом, если рассматриваемая схема работает от аккумулятора, а эффективность соответствует большему сроку службы аккумулятора. Во-вторых, тот факт, что светодиоды намного надежнее, имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания со светящейся от накала металлической нитью накаливания, чувствительной к разрыву от механического и температурного шока. В-третьих, высокая скорость, с которой светодиоды могут включаться и выключаться. Это преимущество также связано с «холодной» работой светодиодов: им не приходится преодолевать тепловую инерцию при переходе от режима «выключен» к режиму «включен» и наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл/выкл) информации в виде импульсов света, проводимых в пустом пространстве или через волоконно-оптический кабель, с очень высокими скоростями (миллионы импульсов в секунду).

Светодиоды превосходны в монохроматическом освещении, например, светофоры и автомобильные задние фонари. Лампы накаливания в этом случае ужасны, так как они требую фильтрации цвета, что снижает эффективность. Светодиодам такая фильтрация не требуется.

Эффективность освещения
Тип осветительного устройстваЭффективность, люмен/ваттСрок службы, часПримечания
Белый светодиод35 – 300100 000 
Лампа накаливания121000 
Галогеновая лампа15 – 172000 
Люминисцентная лампа50 – 10010 000 
Натриевая газоразрядная лампа70 – 20020 000наружное освещение
Ртутная газоразрядная лампа13 – 4818 000наружное освещение

Белый светодиод – это синий светодиод, возбуждающий люминофор, который излучает желтый свет. Синий плюс желтый дают примерно белый свет. Характер люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтый плюс синий, но при этом уменьшится эффективность. В приведенной выше таблице сравниваются светодиоды с обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах выходного светового потока на ватт входной мощности.

Светодиоды в целом были основным предметом исследований и разработок 1960-х годов. Поэтому нецелесообразно охватывать в этой статье все структуры, химические вещества и характеристики, которые были созданы за эти десятилетия. Ранние устройства были относительно тусклыми и потребляли небольшие токи. Эффективность была улучшена в более поздних поколениях до такой степени, что стало опасно напрямуя смотреть на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз. И светодиоды требовали незначительного увеличения падения напряжения (VF) и тока. Современные высокоинтенсивные устройства достигли 180 люмен, используя 0,7 А (82 люмен/ватт), а модели с более высокой интенсивностью могут использовать даже более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Предметом текущих исследований являются другие разработки, такие как квантовые точки.

Оригинал статьи:

Теги

LED / СветодиодДиодДлина волныОбучениеПрямое напряжениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД

Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, светодиод, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения на базе явления инжекционной электролюминесценции (в полупроводниковом кристалле с полупроводниковым гетеропереходом, электронно-дырочным переходом, либо контактом металл — полупроводник).

В светоизлучающем диоде при протекании в нем переменного или постоянного тока в область полупроводника, которая прилегает к подобному переходу (контакту), инжектируются лишние носители тока — дырки и электроны; их рекомбинация сопровождена оптическим излучением. Светоизлучающий диод источает некогерентное излучение, однако, в отличие от тепловых источников света, — с менее широким спектром, из-за чего в видимой области излучение воспринимается как монохроматическое. Цвет излучения обусловлен выбором полупроводникового материала и его легирования. Используются соединения типа GaP, GaAs, SiC, и в том числе твердые растворы: GaAsl-xPx, AlxGal-xAs, Gal-xlnxP. В качестве легирующих примесей применяются: в GaP-Zn и О (красные светоизлучающие диоды) либо N (зеленые светоизлучающие диоды), в GaAs-Si либо Zn, либо Те (инфракрасные светоизлучающие диоды).

Полупроводниковому кристаллу светоизлучающего диода, как правило, придают форму полусферы или пластинки. Яркость излучения большинства светоизлучающих диодов находится на уровне 103 кд/м2, у новейших образцов светоизлучающих диодов — до 105 кд/м2. КПД светоизлучающих диодов видимого спектра излучения варьируется от 0,01% до нескольких процентов. В светоизлучающих диодах инфракрасного излучения для понижения потерь на полное внутреннее поглощение и отражение в теле кристалла используют полусферическую форму, а для улучшения характеристик направленности излучения светоизлучающие диоды помещают в конический или параболический отражатель. КПД светоизлучающих диодов, имеющих полусферическую форму кристалла, достигает 40%.

Промышленность выпускает светоизлучающие диоды в интегральном и дискретном исполнении.

Дискретные светоизлучающие диоды видимого излучения применяют в качестве сигнальных индикаторов; интегральные (многоэлементные) приборы являются многоцветными панелями и плоскими экранами, светоизлучающими цифро-знаковыми индикаторами, профильными шкалами — используют в различных системах отображения информации, в калькуляторах и электронных часах. Светоизлучающие диоды инфракрасного излучения используются в устройствах оптической связи, оптической локации, в дальномерах и т. д., матрицы данных светоизлучающих диодов — в устройствах вывода и ввода информации ЭВМ. В некоторых областях использования светоизлучающие диоды составляют конкуренцию родственному ему устройству — инжекционному лазеру, генерирующему когерентное излучение и отличающемуся от светоизлучающих диодов режимом работы и формой кристалла.

  • Предыдущее: СВЕТОДАЛЬНОМЕР
  • Следующее: СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ

Автоматика. Электроэнергия. Электричество. Электрика. Электроснабжение. Программирование

Как работает светоизлучающий диод (Light-emitting diode)


Данное полупроводниковое устройство с электронно-дырочным переходом. Творящее оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в нешироком спектре диапазона. LED диоды незаменимые герои в мире электроники. В принципе, светодиоды просто крошечные лампочки, которые легко вмещаются в электрической цепи. Но в отличие от обычных ламп накаливания, они не имеют нити, которая выгорает. В светодиоде светится так-называемый p-n переход кристалла. Данное место где 1 вид сплава (-p) соединяется с иным типом (-n).  Задача – отыскать комибнацию проводников, чтоб из данной зоны с минимальными утратами выходило по возможности больше света.  Излучается свет – выделяется небольшое кол-во тепла. И у всякого светодиода температура чипа растёт с его мощностью. Обычная рабочая температура созданных на данный момент светодиодов от 50°С до 120°С, а с учетом развития технологий в ближайшее время имеет возможность подняться до 200°С.
В случае если мощные светодиоды объединены в одну цепь, да к тому же установлены в непроницаемый корпус, то нагрев будет солидным. И если не случается отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, меняются свойства кристалла, и через пару месяцев светодиод может перегореть.

 

Как работает светоизлучающий диод (Light-emitting diode)

Данное полупроводниковое устройство с электронно-дырочным переходом. Творящее оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в нешироком спектре диапазона. LED диоды незаменимые герои в мире электроники. В принципе, светодиоды просто крошечные лампочки, которые легко вмещаются в электрической цепи. Но в отличие от обычных ламп накаливания, они не имеют нити, которая выгорает. В светодиоде светится так-называемый p-n переход кристалла. Данное место где 1 вид сплава (-p) соединяется с иным типом (-n).  Задача – отыскать комибнацию проводников, чтоб из данной зоны с минимальными утратами выходило по возможности больше света.  Излучается свет – выделяется небольшое кол-во тепла. И у всякого светодиода температура чипа растёт с его мощностью. Обычная рабочая температура созданных на данный момент светодиодов от 50°С до 120°С, а с учетом развития технологий в ближайшее время имеет возможность подняться до 200°С.
В случае если мощные светодиоды объединены в одну цепь, да к тому же установлены в непроницаемый корпус, то нагрев будет солидным. И если не случается отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, меняются свойства кристалла, и через пару месяцев светодиод может перегореть.

Что такое диод?

Диод это самый простой вид полупроводниковых устройств. Проще говоря, это полупроводниковый материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников сделаны из плохого проводника (poor conductor), который имеет примеси (атомы другого материала) добавленные к нему. Процесс добавления примесей называют допингом.

Материал светодиода в основном (AlGaAs).
AlGaAs применяют в промежуточных слоях порлупроводниковых гетероструктур и служит для вытеснения электронов в слой чистого арсенида галлия. Пример подобных полупроводниковых приборов — фотодатчики, использующие эффект квантовой ямы.
Также AlGaAs может быть использован для создания полупроводниковых лазеров ближнего IK-диапазона с длиной волны излучения 1,064 мкм.

 

Полупроводники обладают той особенностью, что электропроводность в них может быть обусловлена как подвижными электронами, так и дырками. Если концентрация электронов в полупроводнике значительно больше концентрации дырок, то мы говорим, что полупроводник имеет электронную проводимость, или проводимость n – типа (от negative – отрицательный). Если же значительно преобладают положительные дырки, то электропроводность называется дырочной, или p – типа (от positiv – положительный). Носители заряда, представлены в большинстве (электроны в полупроводнике n – типа и дырки в полупроводнике p – типа), получили название основных носителей заряда, а представленные в меньшинстве – неосновных. Если же концентрация электронов и дырок сравнимы между собой, то мы имеем смешанную проводимость.

 

Что касается односторонней проводимости диода

При приложении поля из p в n дырки из p дрейфуют в сторону n, а электроны – из n в сторону p, т.е. навстречу друг другу. Столкнувшись, они рекомбинируют. Несомненно, в целом в области p в результате этого дырок становится поменьше (как и электронов в области n). Но, потому как кристалл довольно крупный, в нем нарождается достаточное число новых дырок (и свободных электронов) для восстановления равновесия. Как видите, потоки зарядов есть, т.е. ток течет.

При приложении поля из n в p дырки дрейфуют, удаляясь от области n. Электроны также дрейфуют, удаляясь от области p. Так что в зоне перехода остается область, в которой свободных зарядов нет (обедненная зона, depletion zone). Но эта область не является электрически нейтральной: в части p она заряжена отрицательно (не хватает дырок), а в части n – положительно (не хватает электронов). За счет этого, в другой части кристалла (помимо обедненной зоны) внешнее поле нейтрализуется, все оно оказывается сосредоточнным в обедненной зоне, в которой свободных зарядов нет и потому ток идти не может. Очевидно, в обедненной зоне (истощённая зона) также временами рождаются дырки и свободные электроны, но, потому зона изрядно маленькая, это происходит достаточно редко.

 

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 проводника
  Инфракрасный λ > 760 U < 1,9 Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
  Красный 610 < λ < 760 1,63 < U < 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 < U < 2,10 Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
  Желтый 570 < λ < 590 2,10 < U < 2,18 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
  Зеленый 500 < λ < 570 1,9 < U < 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 < U < 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 < U < 4,0 Индия-галлия нитрид (InGaN)
  Пурпурный Смесь нескольких спектров 2,48 < U < 3,7 Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
  Ультрафиолетовый λ < 400 3,1 < U < 4,4 Алмаз (235 nm)
Нитрид бора (215 nm)
Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) (менее 210 nm)
  Белый Широкий спектр U ≈ 3,5 Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором

 

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Основной — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице компактно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, испускание которых смешивается при помощи оптической системы, в частности линзы. В результате выходит белый свет. Второй способ заключается в том, что на плоскость светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И напоследок в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой свето-диод, так что два или три излучения смешиваются, создавая белый или близлежащий к белому свет.

 

Яркость светодиодов более чем хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — сего-то как раз выделывать не полагается, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим особый регулирующий блок (по сути он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Способ ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-измененный ток, притом частота сигнала должна быть сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может меняться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Небольшое отклонение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

 

Диод – простейший полупроводниковый прибор.

 

 

     При соединении областей P-N типа свободные электроны материала N-типа заполняют свободные дырки материала P-типа. Это заполнение создаёт изоляционную плёнку на границе соединения диода, так называемый потенциальный барьер (обедненная зона).

Чтобы избавиться от потенциального барьера, нужно подсоединить сторону N-типа к минусу, а сторону P-типа к плюсу электрической цепи (батареи). Тогда движение свободных электронов материала N-типа к плюсу, свободные дырки материала P-типа к минусу. Когда разница напряжения между электродами будет достаточно высока, электроны в потенциальном барьере вырвутся из дырок и начнут свободное движение. Потенциальный барьер исчезнет и заряд пойдёт сквозь диод.

 

 

  Когда минус источника питания подсоединён к N-типа, а плюс к P-типа материалу, электроны и дырки начинают движение и потенциальный барьер исчезает.

Если подсоединить электроны по-другому, P-тип к минусу и N-тип к плюсу, тогда электрический ток протекать сквозь диод не будет, т.к. негативные электроны материала N-типа будут притягиваться к плюсу, дырки материала N-типа к минусу. Электроны и дырки движутся в ложном направлении, ток не проходит через соединение, потенциальный барьер увеличивается.

 

 

    Когда плюс ИП подсоединён к  N-типа и минус к P-типа материалу, свободные электроны собираются на одной стороне и свободные дырки на другой. Потенциальный барьер возрастает.

Взаимодействие между электронами и дырками имеет интересный побочный эффект – оно создаёт свет.

 

 

Чем больше ток, тем ярче светит LED (Излучающий кристалл – диод). Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

 

 Обозначение на схеме

 

 

(Просмотрено 1815 раз)

Что такое светоизлучающий диод?

 Светоизлучающий диодСветодиод (LED) — эффективное электрическое средство для создания света. Используя полупроводниковый контур, называемый диодом, светодиод производит свет в различных цветах, в зависимости от материалов, используемых при его изготовлении. Светодиоды более компактны, надежны и долговечны, чем традиционные лампочки, и используют небольшую часть энергии. Впервые использовались в 1970-х годах, светодиоды стали все более популярными и повсеместными в 21 веке. Светоизлучающий диод может в конечном итоге заменить лампочку, поскольку технология разработки делает ее более дешевой и эффективной. Светодиодное оборудование для АЗС тоже изготовлено из светодиодов.
Светодиоды работают над свойством, называемым электролюминесценцией, в котором некоторые материалы генерируют свет при заряде электрическим током. Эффект был впервые задокументирован в 1907 году, а светодиодная технология была впервые внедрена российским ученым Олегом Лосевым спустя два десятилетия. Высокая стоимость материалов означала, что практические применения для светодиода не были разработаны до 1960-х годов. К 1970-м годам небольшие красные огни использовались в небольших устройствах, таких как часы и калькуляторы, и в качестве индикаторов питания для более крупных приборов. Достижения в области полупроводниковой технологии дали светодиоды более широкий спектр и применения на заре 21-го века.
Диод — это схема, которая управляет потоком электричества с использованием полупроводникового материала, такого как кремний. Светоизлучающий диод использует это свойство для управления электронами в создании света. Этот процесс более энергоэффективен, чем стандартные лампочки, что означает, что небольшое количество электроэнергии теряется, а диод может прослужить намного дольше, чем лампочка. Первые светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, главным образом красный, синий и желтый. Достижения в области технологий увеличили яркость светодиодов и дали им цвета по всему спектру.
Светодиодные лампы дороже, чем лампы накаливания или флуоресцентные лампочки, но их длительная жизнь делает их идеальными для мест, где трудно заменить лампочки. Они часто используются в качестве внутреннего и внешнего освещения для автомобилей, лодок и самолетов. Многие сигналы трафика, уличные фонари и знаки также используют некоторую форму светодиодной матрицы. Светодиоды обеспечивают подсветку для освещения экранов ноутбуков, телефонов и мобильных устройств. К началу 2010 года они приняли широкий спектр декоративных и практических применений освещения.
Светоизлучающий диод имеет некоторые недостатки. На высоких уровнях мощности он был склонен к потере эффективности, инженеры по электротехнике называют droop. Он может быть чувствительным к изменениям температуры, напряжения и уровня тока. Создание белых светодиодов задерживалось на многие годы из-за ограничений светодиодного спектра, свойства полупроводниковых материалов. Поскольку эти ограничения преодолеваются благодаря продвигающимся технологиям, ожидается, что светодиодная технология станет все более распространенной во всем мире. 

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode)

Светодиоод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Считается[кем?], что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары «карборунд — стальная проволока», Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода.
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. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

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-форфорных (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 155 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.

Как работает светодиод »Электроника

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


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

Другие диоды: Типы диодов


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

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

Светодиод, символ цепи светодиода

Светодиодная технология: как работает светодиод

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

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

Как работает светоизлучающий диод

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

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

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

Светодиодные материалы и цвета света

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

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

LED (светоизлучающий диод) | Типы лампочек

Какие они?

В

светодиодных лампах или лампах используются светодиоды для получения света. Светодиод — это «твердотельная» технология, что означает, что материалы, используемые для генерации света, заключены в твердый материал. На практике это означает, что расчетный срок службы лампы будет намного больше, чем у ламп, использующих нетвердотельные технологии (например, лампы накаливания, галогенные и люминесцентные лампы).Твердотельное освещение также гораздо менее подвержено сбоям из-за ударов или вибрации.

Откуда они взялись?

Общая светодиодная технология существует уже более сорока лет. Первый светодиод видимого спектра был изобретен в 1962 году Ником Холоняком-младшим, который в то время работал научным консультантом в General Electric.

Однако несколько факторов не позволили этой технологии перейти на практическое применение в освещении.Стоимость была серьезной проблемой, первые светодиоды стоили более 200 долларов за диод. Еще одним ограничивающим фактором был цвет, до 70-х годов единственным цветом, который мог воспроизводить светодиод, был красный. Еще одним фактором была светоотдача, которая в течение ряда лет ограничивала практическое использование светодиодов приложениями визуальной сигнализации, такими как световые индикаторы и знаки.

Попросту говоря: это был идеальный свет, чтобы видеть, но не видеть мимо, и это было дорого.

Использование светодиодов в лампах накаливания — относительно недавнее и постоянное развитие.Первые массовые установки светодиодного освещения произошли всего за последние несколько лет, и технология постоянно совершенствуется.

Как они работают?

Для практического использования освещения производимый свет должен быть примерно белого цвета. Поскольку настоящие светодиоды исторически производили только небелые цвета, для создания белого света используется один из двух методов.

Первая — это система RGB, которая работает путем смешивания светового потока от красных, синих и зеленых диодов, находящихся в непосредственной близости, для создания белого света.Во втором случае используются светодиоды на основе люминофора, что предполагает покрытие светодиода люминофором, чтобы сместить цвет в белый спектр. Это похоже на технологию, используемую для создания разных оттенков света от люминесцентных ламп.

Где они используются?

Как это часто бывает с быстро развивающимися технологиями, идеальные области применения светодиодного освещения постоянно меняются. В настоящее время светодиодные лампы лучше всего подходят для вывесок и указателей, ночных фонарей, фонарей, светильников под шкафами и некоторых встраиваемых светильников / потолочных светильников, где постоянство цветовой температуры не критично.См. Наши ресурсы по светодиодным индикаторам ниже, чтобы узнать, подходит ли эта технология для ваших нужд в настоящее время.

Другие полезные ресурсы

Кто изобрел светодиод или светоизлучающий диод?

Светодиод, который обозначает светоизлучающий диод, представляет собой полупроводниковый диод, который светится при приложении напряжения. Эти устройства используются повсюду в вашей электронике, новых типах освещения и цифровых телевизионных мониторах.

Как работает светодиод

Сравните, как светоизлучающий диод работает с более старой лампой накаливания.Лампа накаливания работает, пропуская электричество через нить накаливания внутри стеклянной колбы. Нить накала нагревается и светится, и это создает свет; однако он также создает много тепла. Лампа накаливания теряет около 98% тепла, выделяемого для производства энергии, что делает ее весьма неэффективной.

Светодиоды являются частью нового семейства технологий освещения, называемого твердотельным освещением; Светодиоды классные на ощупь. Вместо одной лампочки в светодиодной лампе много маленьких светодиодов.

Светодиоды основаны на эффекте электролюминесценции, когда определенные материалы излучают свет при подаче электричества. У светодиодов нет накала, которая нагревается, но они освещаются движением электронов в полупроводниковом материале, обычно арсениде алюминия-галлия. Свет излучается pn переходом диода. Принцип работы светодиода сложен, но понятен, если изучить детали.

Фон

Электролюминесценция, природный феномен, на котором построена светодиодная технология, была открыта в 1907 году британским радиоисследователем и помощником Гульельмо Маркони Генри Джозефом Раундом во время экспериментов с карбидом кремния и кошачьим усом.

В 1920-е годы российский радиоведущий Олег Владимирович Лосев изучал явления электролюминесценции в диодах, используемых в радиоприемниках. В 1927 году он опубликовал статью «Детектор и обнаружение светящегося карборунда [карбида кремния] с помощью кристаллов», в которой подробно описал свои исследования, и хотя в то время на основе его работы не было создано практических светодиодов, его исследования действительно повлияли на будущих изобретателей.

Спустя годы, в 1961 году, Роберт Биард и Гэри Питтман изобрели и запатентовали инфракрасный светодиод для Texas Instruments.Это был первый светодиод; однако, поскольку он был инфракрасным, он находился за пределами видимого светового спектра. Люди не могут видеть инфракрасный свет. По иронии судьбы, Бэрд и Питтман только случайно изобрели светоизлучающий диод, когда они фактически пытались изобрести лазерный диод.

Светодиоды видимого диапазона

В 1962 году Ник Холоньяк, инженер-консультант General Electric, изобрел первый светодиод видимого света. Это был красный светодиод, и Holonyack использовал фосфид арсенида галлия в качестве подложки для диода.Холоняк заслужил честь называться «Отцом светодиодов» за свой вклад. Он также имеет 41 патент, а другие его изобретения включают лазерный диод и первый диммер.

В 1972 году инженер-электрик Джордж Крэфорд изобрел первый светодиод желтого цвета для Monsanto, используя в нем фосфид арсенида галлия. Крэфорд также изобрел красный светодиод, который был в 10 раз ярче, чем у Holonyack.

Monsanto была первой компанией, которая начала массово производить светодиоды видимого диапазона.В 1968 году Monsanto выпустила красные светодиоды, используемые в качестве индикаторов. Но только в 1970-х годах светодиоды стали популярными, когда Fairchild Optoelectronics начала производить недорогие светодиодные устройства (менее пяти центов каждое) для производителей.

В 1976 году Томас П. Пирсалл изобрел высокоэффективный и чрезвычайно яркий светодиод для использования в волоконной оптике и волоконной связи. Пирсалл изобрел новые полупроводниковые материалы, оптимизированные для передачи длин волн оптического волокна. В 1994 году Сюдзи Накамура изобрел первый синий светодиод с использованием нитрида галлия.

Совсем недавно, по состоянию на май 2020 года, Arrow Electronics, фирма из списка Fortune 500, предоставляющая услуги, связанные с электронными компонентами и компьютерными продуктами, отметила самые последние разработки в области светодиодов:

«… ученые разработали методику, которая позволяет одному светодиоду воспроизводить все три основных цвета. Это имеет большое значение для активных светодиодных дисплеев, которым обычно требуется от трех до четырех крошечных отдельных светодиодов, расположенных рядом друг с другом для визуализации полный спектр.»

Источники

LED (светоизлучающие диоды) — MRSEC Education Group — UW – Madison

Теория полос

Как описано ниже, простые идеи химического связывания могут быть использованы для обеспечения качественного понимания того, как цвет света, излучаемого светодиодом, регулируется изменениями химического состава полупроводника.
Ниже приводится краткий обзор теории зон при закреплении этих устройств.

Когда два атома соединяются вместе, образуя M2, образуются две молекулярные орбитали.Когда три атома соединяются вместе, образуя M3, образуются три молекулярные орбитали.

В протяженном твердом теле многие атомы взаимодействуют друг с другом, и будет такое же количество молекулярных орбиталей, делокализованных по всему твердому телу, как количество объединяемых атомных орбиталей. Энергетическое разделение орбиталей настолько мало от одной такой делокализованной орбитали к другой, что они образуют так называемую «полосу». Полоса представляет собой своего рода электронную магистраль, позволяющую электронам перемещаться по твердому телу, тем самым проводя электричество.Однако для этого зона не может быть пустой или заполненной электронами. Только если полоса частично заполнена, может возникнуть чистый поток электронов, соответствующий электрическому току.

Зона, содержащая валентные электроны, известна как валентная зона. Полоса незанятых орбиталей известна как зона проводимости. Проводимость возникает, когда электроны продвигаются из валентной зоны в зону проводимости, где они могут перемещаться по твердому телу. Энергетическое разделение между валентной зоной и зоной проводимости известно как запрещенная зона.

Энергия запрещенной зоны Eg, показанная двунаправленной стрелкой, представляет собой расстояние между верхней частью валентной зоны и нижней частью зоны проводимости. Размер запрещенной зоны уменьшается при переходе от изолятора к полупроводнику к металлу, где он фактически равен нулю. Электронно-дырочные пары показаны для полупроводника как закрашенные кружки (электроны) в зоне проводимости и белые кружки (дырки) в валентной зоне.

Спектра

Спектр поглощения:

В широком диапазоне энергий электроны могут возбуждаться из валентной зоны в зону проводимости (поглощение; на рисунке показаны электронные переходы, A, и соответствующий спектр поглощения, B).

Спектр излучения:

Возбужденные электроны будут падать из нижней части зоны проводимости в верхнюю часть валентной зоны с испусканием света с очень узкой шириной полосы (излучение; на рисунке показан электронный переход A и соответствующий спектр излучения B).

Полупроводниковые материалы

Полупроводники обычно изготавливаются из комбинаций элементов, имеющих кристаллическую структуру, аналогичную структуре алмаза, и такое же среднее количество валентных электронов на атом, что и у атомов в алмазе.

Алмазная ячейка

Кристаллы углерода, кремния, германия и альфа-формы олова 14-й группы периодической таблицы имеют алмазную структуру, элементарная ячейка которой показана выше. Элементарная ячейка алмаза содержит все атомы одного и того же элемента, расположенные в тетраэдрической геометрии.


Элемент цинковой обманки

Кристаллы углерода, кремния, германия и альфа-формы олова 14-й группы периодической таблицы имеют алмазную структуру, элементарная ячейка которой показана выше.Элементарная ячейка алмаза содержит все атомы одного и того же элемента, расположенные в тетраэдрической геометрии.

Многие комплементарные пары атомов со стехиометрией 1: 1 (AZ) и таким же средним числом валентных электронов на атом, что и атомы в группе 14, такие как ZnS, GaAs и ZnSe, имеют структуру цинковой обманки, как показано выше. В элементарных ячейках цинковой обманки есть атомы двух элементов, каждый из которых имеет тетраэдрическую геометрию и связан исключительно с атомами другого типа.


Часть таблицы Менделеева, подчеркивающая образование
твердых тел 1: 1 AZ, которые являются изоэлектронными
с твердыми телами группы 14.Дополнительные пары
обозначены аналогичной штриховкой: например,
Ge, GaAs, ZnSe и CuBr.

Твердотельные решения

Твердотельные решения, состоящие из трех и четырех элементов, обычно используются в светоизлучающих диодах. В случаях стехиометрии 1: 1, таких как GaAs, Al может быть заменен на долю Ga или P может быть заменен на фракцию As, таким образом производя полупроводники Al1-xGaxAs или GaP1-xAsx соответственно. Можно даже комбинировать четыре элемента для получения Al1-xGaxPyAs1-y.

A 1,0 Z 0,0 A 0,8 Z0,2 A 0,6 Z 0,4 A 0,4 Z 0,6 A 0,2 ​​ Z 0,8 A 0,0 Z 1.0
Твердые растворы замещения A 1-X Z X с различной стехиометрией (различные значения x).

Синий свет излучается светодиодами, содержащими In, Ga и N, тогда как светодиоды GaP излучают зеленый свет, а светодиоды, содержащие Ga, P и As, излучают красный свет. Могут быть изготовлены светодиоды, представляющие собой твердофазные растворы трех элементов GaP1-xAsx, где x изменяется от 1 до 0. Если x равно 0,6, светодиод красный. Светодиод излучает оранжевый свет, когда x равно 0,35. Если x равно 0,15, светодиод излучает желтый свет. Зеленый свет излучается при x = 0, т. Е. Светодиоды с составом GaP.


Светодиодная лента из красных, оранжевых, желтых, зеленых,
и синих светодиодов.


Буквы, обведенные красным, оранжевым, желтым, зеленым и синим светодиодами.

Энергия запрещенной зоны также может быть описана качественно в терминах химических связей. Энергию запрещенной зоны можно рассматривать как энергию, необходимую для освобождения электрона от связи в твердом теле, что позволяет ему стать подвижным и, таким образом, вносить вклад в электрическую проводимость. Подключение светодиода к батарее в электрической цепи обеспечивает источник энергии для освобождения электронов от их связей.Когда некоторые из электронов возвращаются, чтобы восстановить связи, примерно энергия запрещенной зоны высвобождается, поскольку это обратный процессу, который используется для создания мобильных электронов, требующих энергии. Некоторая часть выделяемой энергии находится в форме света. Таким образом, для любого светодиода цвет света является приблизительной мерой энергии запрещенной зоны полупроводника, составляющего светодиод.

Энергию запрещенной зоны можно регулировать, изменяя химический состав полупроводника. Рассматривая первые твердые тела со структурой алмаза, наблюдается плавное изменение электропроводности по убыванию периодической таблицы.В самом алмазе атомы углерода относительно малы и расположены близко друг к другу, так что связывающие электроны очень прочно удерживаются атомами. Это соответствует большой ширине запрещенной зоны и плохой электропроводности. Действительно, алмаз — превосходный электроизолятор. При переходе к кремнию и германию атомы становятся больше и дальше друг от друга, а связывающие электроны удерживаются гораздо менее прочно. Это соответствует меньшей ширине запрещенной зоны и большему пулу подвижных электронов при комнатной температуре, что соответствует проводимости полупроводника.Наконец, в случае олова атомы еще больше и дальше друг от друга. Энергия запрещенной зоны для олова очень мала, а большая концентрация подвижных электронов соответствует металлической проводимости.

Для многих комбинаций элементов в составных полупроводниках тенденцию изменения ширины запрещенной зоны можно качественно предсказать на основе межатомного расстояния, причем, как отмечалось выше, более короткие связи соответствуют большей энергии запрещенной зоны. Как показано на иллюстрации, соединение Ga с As, P и, наконец, с N приводит к постепенному уменьшению длины связи и соответствующему увеличению энергии запрещенной зоны и цвета светодиода.Фактически это семейство твердых тел позволяет настраивать ширину запрещенной зоны от ближней инфракрасной области (GaAs) к красному (богатые As твердые растворы GaAsxP (1-x)), к зеленому (GaP) и, в последнее время, к синему ( GaN).

Подготовка светодиодов

Дизайн и изготовление светодиодов демонстрируют точный контроль как химического состава, так и роста материалов, в результате чего создаются устройства с заданными электрооптическими свойствами. Такие методы, как металлоорганическая эпитаксия из паровой фазы (OMVPE, также известная как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы или MOCVD), обеспечивают кинетически контролируемый рост полупроводниковых слоев, который можно использовать для локализации и оптимизации излучательной рекомбинации электронов и дырок в твердом теле.Как отмечалось выше, химический состав слоев регулирует их ширину запрещенной зоны и, следовательно, цвет света, связанный с испускаемыми фотонами, которые возникают в результате излучательной рекомбинации.

Полупроводники группы 13-15 (называемые полупроводниками III-V исследователями в данной области), состоящие из слоев светодиодных кристаллов, производятся путем совместного разложения молекул газа-прекурсора группы 13 и группы 15. Например, используя газы высокой степени очистки, такие как триметилгаллий и арсин, слой полупроводникового GaAs может быть сформирован путем разложения газов на нагретой подложке в соответствии с уравнением 1.

(Ch4) 3Ga (g) + Ash4 (g) -> GaAs (s) + 3 Ch5 (g) (1)

Простое химическое осаждение из паровой фазы (CVD) хорошо проиллюстрировано на веб-странице, созданной Hsin-Tien Chiu.

Такие методы выращивания позволяют практически мгновенно изменять химический состав путем изменения концентрации и состава газообразных предшественников. Более общее несбалансированное уравнение для настройки химического состава — это уравнение 2, где значение n может быть 0, 1, 2 и 3, отражая состав частиц, полученных из предшественников триалкила, которые присутствуют в условиях роста:

x (Ch4) nAl (g) + y (Ch4) nGa (g) + z (Ch4) nIn (g) + Ph4 (g) -> AlxGayInxP (s) + Ch5 (g) (2)

Индексы продукта указывают на то, что эти материалы образуют семейство твердых растворов, обладающих в данном случае общей кубической кристаллической структурой цинковой обманки, но переменным составом с (x + y + z) = 1.Обычно используются химические составы, которые почти согласованы по решетке, так что атомные слои продолжают расти эпитаксиально, а дефекты сводятся к минимуму.

Химическое осаждение из газовой фазы оксидов металлов для синего диодного лазера.

Science Watch в выпуске за январь / февраль 2000 года содержит информацию о синем лазерном диоде и интервью с Сюдзи Накамурой, человеком, который произвел первый синий светодиод.

У

Lumileds есть хорошая презентация улучшений светодиодов за последние годы.

Цепь синего светодиода


Схема для освещения синего светодиода очень проста в сборке.


Он состоит из синего светодиода, резистора 1 кОм и зажима батареи 9 В.

У светодиодов

один вывод длиннее другого. Этот длинный вывод должен быть соединен с клеммой (+) батареи 9 В. К одному выводу зажима должен быть припаян резистор 1 кОм, а противоположный конец резистора припаян к светодиоду, так как показано ниже.

Щелкните здесь, чтобы узнать, где можно получить детали для создания собственной схемы синих светодиодов.

Органические светодиоды (OLED)

Матрицы органических светодиодов очень перспективны в качестве замены жидкокристаллических дисплеев. OLED-светодиоды обладают тем преимуществом, что излучают свет, тогда как ЖК-дисплеи должны иметь подсветку. Это отличный пример нанотехнологий.


Базовый дизайн OLED
Copyright Chemical & Engineering
Новости, 26 июня 2000 г.

OLED состоит из одного или нескольких специальных органических / полимерных материалов между двумя электродами, один из которых является прозрачным.Приложение напряжения к электродам вызывает образование дырок и электронов. Свет излучается, когда эти электроны и дырки рекомбинируют. Цвет света зависит от используемых органических / полиэфирных соединений. Полноцветные OLED-панели можно создавать, используя комбинацию красных, зеленых и синих секций, как показано выше.

OLED обещают заменить некоторые приложения для ЖК-дисплеев. Поскольку молекулы излучают свет, нет необходимости в подсветке дисплея, что значительно экономит электроэнергию.Излучаемый свет различается по цвету. Использование полимеров, излучающих красный, зеленый и синий цвет, устраняет необходимость в фильтрах, необходимых для полноцветных ЖК-дисплеев.

Обещание использования OLED в больших цветных телевизорах не оправдало шумихи. Период полураспада синих органических светодиодов все еще слишком мал для этого приложения. Однако полные дисплеи для пользовательских продуктов, которые, как ожидается, через несколько лет будут заменены более новыми / лучшими версиями, такими как сотовые телефоны, музыкальные плееры, дисплеи цифровых камер и т. Д., производятся. В среднем, продолжаются исследования синих OLED, чтобы получить более длительный период полураспада, время, в течение которого излучаемая яркость уменьшится до половины от ее первоначального значения.

Kodak описывает, что это такое и их атрибуты.

Universal Display Corporation описывает используемые материалы и связанные с ними технологии: TOLED, FOLED и PHOLED. Они также описывают свои последние разработки.

«Скоро в ноутбуке рядом с вами» описывает последние разработки в области OLED в мониторах портативных компьютеров.

Основы светоизлучающих диодов

| Типы, цвета и применение светодиодов

Light Emitting Diode или просто LED — один из наиболее часто используемых источников света в наши дни. Будь то фары вашего автомобиля (или дневные ходовые огни) или освещение гостиной вашего дома, применения светодиодов бесчисленны.

В отличие от (почти) устаревших ламп накаливания, светодиоды (и люминесцентные лампы) нуждаются в специальной цепи для их работы. Их просто называют драйверами светодиодов (или балластом в случае люминесцентных ламп).

Поскольку светодиоды неизбежны в нашей жизни, заинтересованным людям (инженерам, разработчикам драйверов и т. Д.) Будет полезно познакомиться с основами работы со светоизлучающими диодами. Эта статья представляет собой краткое руководство по светодиодам, которое включает в себя краткое введение, электрические обозначения светодиода, типы, конструкцию, характеристики, драйверы светодиодов и многое другое.

ПРИМЕЧАНИЕ: Существует более простая версия этой статьи «Светодиод — светоизлучающий диод», которая дает более простой обзор светодиода, не вдаваясь в технические детали.

Введение

Двумя наиболее значительными полупроводниковыми источниками излучения света, широко используемыми в различных приложениях, являются ЛАЗЕРНЫЕ диоды и светодиоды. Принцип работы ЛАЗЕРНЫХ диодов основан на вынужденном излучении, тогда как у светодиодов — на спонтанном излучении.

Светоизлучающие диоды

— наиболее распространенный источник света, доступный в электронных компонентах. Например, они широко используются для отображения времени и многих других типов данных на экранах определенных устройств отображения.Светодиоды — это опто-полупроводниковые устройства, которые легко преобразуют электрический ток в освещение (или свет). Площадь светодиода обычно очень мала, и при разработке диаграммы направленности можно использовать множество интегрированных оптических компонентов. Его главное преимущество — низкая стоимость производства и более длительный срок службы, чем у лазерного диода.

Светодиод состоит из двух основных полупроводниковых элементов. Это положительно заряженные дырки P-типа и отрицательно заряженные электроны N-типа.

Когда положительная сторона P диода подключена к источнику питания, а сторона N — к земле, считается, что соединение находится в прямом смещении, что позволяет электрическому току проходить через диод. Основные и неосновные носители заряда на стороне P и стороне N объединяются друг с другом и нейтрализуют носители заряда в обедненном слое на PN-переходе.

Миграция электронов и дырок, в свою очередь, высвобождает некоторое количество фотонов, которые выделяют энергию в виде монохроматического света с постоянной длиной волны, обычно в нм, которая напоминает цвет светодиода.Цветовой спектр излучения светодиодов обычно чрезвычайно узок.

В общем, это может быть определено как определенный конкретный диапазон длин волн в электромагнитном спектре. Выбор цвета излучения светодиода довольно ограничен из-за природы полупроводника, используемого в производстве. Обычно доступные цвета светодиодов — красный, зеленый, синий, желтый, желтый и белый.

Свет красного, синего и зеленого цветов можно легко комбинировать для получения белого света с ограниченной яркостью.Рабочее напряжение красного, зеленого, желтого и желтого цветов составляет около 1,8 вольт. Фактический диапазон рабочего напряжения светодиода можно определить по напряжению пробоя полупроводникового материала, используемого в конструкции светодиода. Цвет излучаемого в светодиодах света определяется полупроводниковыми материалами, которые образуют PN-переход диода.

Это происходит из-за различий в структуре запрещенной зоны полупроводниковых материалов, и поэтому разное количество фотонов испускается с разными частотами.Однако длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов на стыке, а интенсивность света зависит от количества мощности или энергии, подаваемой через диод. Выходную длину волны можно поддерживать с помощью составных полупроводников, чтобы можно было наблюдать требуемый цвет, обеспечивая выход в видимом диапазоне.

Свет можно производить и управлять с помощью электронных средств различными способами. В светодиодах свет создается за счет электролюминесценции, которая представляет собой твердотельный процесс.При определенных условиях получения света твердотельные процедуры могут производить когерентный свет, как и в лазерных диодах.

Типы светодиодов

Светодиоды можно условно разделить на две основные категории светодиодов. Их

  • Светодиоды видимого диапазона
  • Невидимые светодиоды

Светодиоды видимого диапазона в основном используются для переключателей, оптических дисплеев и для освещения без использования каких-либо фотодатчиков. Невидимые светодиоды используются в приложениях, включая оптические переключатели, анализ и оптическую связь и т. Д., с использованием фотодатчиков.

Эффективность

Рейтинг светодиодов определяется по световой отдаче. Он определяется как отношение светового потока к входной электрической мощности, подаваемой на диод, и может выражаться в люменах на ватт. Световой поток представляет собой реакцию глаза на световые волны различной длины.

Цвет Длина волны (нм) Типичная эффективность (лм / Вт) Типичная эффективность (Вт / Вт)
Красный 620-645 72 0.39
Зеленый 520-550 93 0,15
Синий 460 — 490 37 0,35
Голубой 490-520 75 0,26
Красный — Оранжевый 610-620 98 0,29

Светодиодная конструкция

Структура и конструкция светоизлучающих диодов сильно отличаются от обычных полупроводниковых сигнальных диодов.Свет будет излучаться светодиодом, когда его PN-переход смещен в прямом направлении. PN-переход покрыт прозрачным твердым пластиковым корпусом полусферической формы из эпоксидной смолы, который защищает светодиод от атмосферных возмущений, вибраций и тепловых ударов. PN-переход формируется с использованием материалов с наименьшей шириной запрещенной зоны, таких как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия, фосфид галлия, нитрид галлия-индия, нитрид алюминия-галлия, карбид кремния и т. Д.

На самом деле светодиодный переход не излучает много света, поэтому корпус из эпоксидной смолы построен таким образом, что фотоны света, излучаемые переходом, отражаются от окружающей основы подложки и фокусируются через куполообразную вершину Светодиод, который сам по себе действует как линза, концентрирующая большее количество света.

Это причина, по которой излучаемый свет кажется самым ярким в верхней части светодиода.

Обычно светоизлучающие диоды, излучающие красный свет, построены на подложке из арсенида галлия, а диоды, излучающие зеленый / желтый / оранжевый свет, являются фиктивными на подложке из фосфида галлия. Для излучения красного цвета слой N-типа легирован теллуром (Te), а слой P-типа легирован цинком. Контактные слои сформированы из алюминия на стороне P и олова на стороне N соответственно.

Светодиоды предназначены для обеспечения максимальной рекомбинации носителей заряда на поверхности PN-перехода следующими способами.

  • При увеличении концентрации легирования подложки электроны дополнительных неосновных носителей заряда перемещаются к вершине структуры, рекомбинируют и излучают свет на поверхности светодиода.
  • Путем увеличения диффузионной длины носителей заряда, т. Е. L = √ Dτ, где D — коэффициент диффузии, а τ — время жизни носителей заряда.При превышении критического значения будет вероятность повторного поглощения выпущенных фотонов в устройство.

Когда диод подключен с прямым смещением, носители заряда приобретают достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьерный потенциал, существующий в PN-переходе. Когда применяется прямое смещение, неосновные носители заряда как P-типа, так и N-типа инжектируются через переход и рекомбинируют с основными носителями. Эта рекомбинация основных и неосновных носителей заряда может быть излучательной или безызлучательной.Излучательная рекомбинация излучает свет, а безызлучательная рекомбинация производит тепло.

Органические светодиоды (OLED)

В органических светодиодах сложный полупроводниковый материал, используемый при разработке светодиода, является органическим по своей природе. Органический полупроводниковый материал является электропроводным в какой-то части или во всей молекуле за счет сопряженного электрона; в результате это органический полупроводник. Материал может находиться в кристаллической фазе или в полимерных молекулах.Его преимущества заключаются в тонкой структуре, меньшей стоимости, низком напряжении для вождения, отличной диаграмме направленности, высокой яркости, максимальном контрасте и интенсивности.

Цвета светоизлучающих диодов

В отличие от обычных полупроводников, сигнальных диодов, которые используются для переключения схем, выпрямителей и схем силовой электроники, изготовленных из кремниевых или германиевых полупроводниковых материалов, светоизлучающие диоды производятся из сложных полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия, Карбид кремния и нитрид галлия-индия смешиваются в разных соотношениях для получения уникальной отличительной длины волны цвета.

Различные полупроводниковые соединения излучают свет в определенных областях видимого светового спектра и, следовательно, создают свет с разными уровнями интенсивности. Выбор полупроводникового материала, используемого при производстве светодиода, будет определять длину волны излучения фотонов и результирующий цвет излучаемого света.

Диаграмма направленности

Определяется как угол излучения света по отношению к излучающей поверхности. Максимальное количество мощности, интенсивности или энергии будет получено в перпендикулярном направлении с излучающей поверхностью.Угол излучения света зависит от излучаемого цвета и обычно колеблется от 80 ° до 110 °.

Цвет Длина волны (нм) Падение напряжения (В) Материал полупроводника
Инфракрасный > 760 Арсенид галлия
Алюминий Арсенид галлия
Красный 610-760 1.6 — 2,0 Алюминий, арсенид галлия
Фосфид арсенида галлия
Алюминий Галлий Фосфид индия
Фосфид галлия
Оранжевый 590-610 2,0 — 2,1 Фосфид арсенида галлия
Алюминий Галлий Фосфид индия
Фосфид галлия
Желтый 570-590 2.1 — 2,2 Фосфид арсенида галлия
Алюминий Галлий Фосфид индия
Фосфид галлия
Зеленый 500-570 1,9 — 4,0 Галлий фосфид индия
Алюминий Галлий Фосфид индия
Алюминий фосфид галлия
Нитрид индия и галлия
Синий 450-500 2.5 — 3,7 Селенид цинка
Нитрид индия и галлия
Карбид кремния
Кремний
Фиолетовый 400 — 450 2,8 — 4,0 Нитрид индия и галлия
Фиолетовый несколько типов 2,4 — 3,7 Двойные синие / красные светодиоды
Синий с красным люминофором
Белый с фиолетовым пластиком
ультрафиолетовый 3.1-4,4 Алмаз
Нитрид бора
Нитрид алюминия
Алюминий нитрид галлия
Алюминий галлий Нитрид индия
Розовый несколько типов 3,3 Синий с люминофором
Желтый с красным, оранжевым или розовым фосфором
Белый с розовым пигментом
Белый Широкий спектр 3.5 Синий / УФ-диод с желтым люминофором

Цвет света, излучаемого светодиодом, не определяется цветом пластикового корпуса, в котором находится светодиод. Кожух используется как для усиления светового излучения, так и для обозначения его цвета, когда он не работает от источника питания. В последние годы также доступны синие и белые светодиоды, но они дороже обычных стандартных цветных светодиодов из-за производственных затрат на смешивание двух или более дополнительных цветов в точном соотношении в полупроводниковом соединении.

Общие характеристики источников света

Ток привода против светового выхода

При высоких значениях прямого тока возбуждения температура PN-перехода полупроводника увеличивается из-за значительного рассеивания мощности. Такое повышение температуры на переходе приводит к снижению эффективности излучательной рекомбинации. В результате плотность тока еще больше увеличивается; внутреннее последовательное сопротивление будет иметь тенденцию к снижению светоизлучающей эффективности любого источника света.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность любого источника света определяется как отношение скорости излучательной рекомбинации, которая излучает свет, к общей скорости рекомбинации, и выражается как:

η = Rr / Rt

Скорость переключения

Скорость переключения источника света похожа на то, как быстро источник света может включаться и выключаться с помощью приложенного электрического питания для создания соответствующего шаблона оптического выхода. Светодиоды имеют более низкую скорость переключения, чем обычные ЛАЗЕРНЫЕ диоды.

Спектральная длина волны

Пиковая спектральная длина волны определяется как длина волны, при которой генерируется максимальная интенсивность света. Он определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого в производстве светодиодов.

Спектральная ширина

Спектральная ширина источника света определяется как диапазон длин волн, в котором источник света излучает свет. Источник света должен излучать свет в пределах более узкой спектральной ширины.

Вольт-амперные характеристики светодиода

Перед тем, как излучать свет из любого светоизлучающего диода, через него должен протекать ток, поскольку светодиод является устройством, зависящим от тока, а его выходная сила света прямо пропорциональна прямому току, проходящему через светодиод.

Светоизлучающий диод должен быть подключен к источнику питания с прямым смещением, и его ток должен быть ограничен с помощью резистора, подключенного последовательно, чтобы защитить его от избыточного тока. Светодиод не следует подключать напрямую к батарее или источнику питания, потому что через него будет протекать избыточный ток, и светодиод может повредиться.

Каждый светодиод имеет собственное индивидуальное прямое падение напряжения вдоль PN перехода, и этот параметр определяется полупроводниковым материалом, используемым при производстве светодиода для заданного количества тока прямой проводимости, обычно для прямого тока около 20 мА.

При низких прямых напряжениях в управляющем токе диода преобладает ток безызлучательной рекомбинации из-за рекомбинации носителей заряда по длине светодиодного кристалла. При более высоких прямых напряжениях в управляющем токе диода преобладает ток радиационной диффузии.

Даже при более высоких напряжениях, чем обычно, ток диода ограничен последовательным сопротивлением. Диод никогда не должен достигать обратного напряжения пробоя на короткое время, так как это может привести к необратимому повреждению диода.На рисунке ниже показаны ВАХ светодиодов разного цвета.

Расчет сопротивления светодиодов серии

Светоизлучающий диод хорошо работает, когда он включен последовательно с сопротивлением, в результате прямой ток, необходимый для светодиода, обеспечивается напряжением питания через комбинацию. Значение сопротивления последовательного резистора можно рассчитать по следующей формуле. Обычно прямой ток нормального светодиода составляет 20 мА.

Многоцветный светодиод

На рынке доступно большое количество светодиодов разной формы и размера, разного цвета и разной интенсивности светового потока. Красный светодиоды арсенида фосфида галлия диаметром 5 мм являются наиболее часто используемыми светодиодами, и их производство очень дешево. В настоящее время производятся светодиоды с многоцветным излучением, и они доступны во многих корпусах, большинство из которых представляют собой два-три светодиода в одном корпусе.

Двухцветные светодиоды

Двухцветные светодиоды представляют собой тип светодиодов, похожих на одноцветные светодиоды, только с одним дополнительным светодиодным чипом, заключенным в корпус. Двухцветные светодиоды могут иметь два или три вывода для подключения; это зависит от используемого метода. Обычно два вывода светодиода подключаются обратно параллельно. Анод одного светодиода соединен с катодом другого светодиода и наоборот. Когда питание подается на любой из анодов, светится только один светодиод.Мы также можем включить оба светодиода одновременно с динамическим переключением на высокой скорости.

Трехцветный светодиод

Обычно трехпроводные светодиоды имеют общий катодный вывод, к которому оба других светодиодных чипа подключены внутри. Должен быть включен один или два светодиода, необходимо заземлить общий катод. Токоограничивающие резисторы подключены к обоим анодам для индивидуального управления током.

Для одно- или двухцветной светодиодной подсветки необходимо подключать питание к любому из анодов по отдельности или одновременно.Эти трехцветные светодиоды состоят из одиночных КРАСНЫХ и ЗЕЛЕНЫХ светодиодных чипов, подключенных к одному и тому же катоду. Этот тип диодов генерирует дополнительные оттенки основных цветов, включая два светодиода с разным соотношением прямого тока.

Схемы светодиодных драйверов

Интегральные схемы Для управления светодиодами могут использоваться как комбинационные, так и последовательные схемы. Светодиоды можно включать и выключать с помощью интегральных схем. Выходные каскады логических вентилей TTL или CMOS могут использоваться для управления светодиодами в качестве переключателей в двух режимах конфигурации.Это режимы конфигурации источника и приемника.

Выходной ток, выдаваемый интегральными схемами в конфигурации режима стока, может составлять около 50 мА, а в конфигурации режима источника прямой ток может составлять около 30 мА. Однако ток, подаваемый светоизлучающим диодом, должен ограничиваться резистором, подключенным последовательно.

Управление светодиодом с использованием транзистора

Вместо использования интегральных схем, светодиоды можно управлять с помощью дискретных компонентов, таких как биполярные транзисторы PNP и NPN.Дискретные компоненты могут использоваться для управления более чем одним светодиодом, как в больших структурах светодиодной матрицы.

Меньшее количество приложений использует в своей работе только один светодиод. Переходные транзисторы используются для управления током через несколько светодиодов таким образом, что прямой ток, управляемый светодиодом, составляет около 10-20 мА. Если для управления светодиодом используется транзистор NPN, то последовательный резистор действует как источник тока. Если для управления светодиодами используется транзистор PNP, то последовательный резистор действует как приемник тока.

Для таких приложений, как подсветка экрана, уличные фонари или в качестве замены люминесцентной лампы или лампы накаливания, для большинства приложений требуется более одного светодиода. Как правило, параллельное управление несколькими одиночными светодиодами вызывает неравномерное распределение тока между светодиодами; даже в этом случае все светодиоды рассчитаны на одинаковое прямое падение напряжения.

Если один светодиод не работает, последовательные светодиоды могут быть устранены путем установки параллельных стабилитронов или кремниевых выпрямителей (SCR) на каждом отдельном светодиоде последовательно.SCR — это разумный выбор, поскольку они рассеивают меньше энергии, если им приходится работать вокруг вышедшего из строя светодиода.

В случае параллельной комбинации включение отдельного драйвера для каждой строки дороже, чем использование нескольких драйверов с соответствующей выходной мощностью.

Управление интенсивностью света светодиода с помощью ШИМ

Интенсивность света, излучаемого светодиодом, регулируется протекающим через него током. Поскольку ток через него меняется, яркость света можно регулировать.Если через диод пропускается большой ток, светодиодный свет светится намного лучше, чем обычно.

Если ток превышает максимальное значение, интенсивность света еще больше возрастает и светодиод рассеивает тепло. Предел прямого тока, установленный для проектирования светодиода, составляет от 10 до 40 мА. Когда требуемый ток очень меньше, может быть вероятность выключения светодиода.

В таких случаях для управления яркостью света и током, требуемым светодиодами, используется процесс, известный как широтно-импульсная модуляция, для многократного включения и выключения светодиода в зависимости от требуемой интенсивности света.Устройства линейного управления рассеивают избыточную энергию в виде тепла, в результате для передачи необходимого количества мощности используются драйверы PWM, поскольку они вообще не передают мощность.

Прежде всего, чтобы подавать импульсы ШИМ в схемы светодиодов, в первую очередь требуется генератор ШИМ. Есть разное количество генераторов ШИМ.

Светодиодные экраны

Одноцветные, двухцветные, многоцветные и несколько других светодиодов объединены в один корпус.Их можно использовать как подсветку, полосы и гистограммы. Одним из важнейших требований цифровых устройств отображения является визуальный числовой дисплей. Типичный пример такого единого пакета из нескольких светодиодов виден на семисегментных дисплеях.

Семисегментный дисплей, как следует из названия, состоит из семи светодиодов в одном корпусе дисплея. Его можно использовать для отображения информации.

Отображаемая информация может быть в форме цифровых данных, состоящей из цифр, букв, символов, а также буквенно-цифровых символов.Семисегментный дисплей обычно имеет восемь комбинаций входных соединений, по одной для каждого светодиода, а оставшийся — общая точка подключения для всех внутренних светодиодов.

Если катоды всех светодиодов соединены вместе и посредством подачи логического ВЫСОКОГО сигнала, то загораются отдельные сегменты. Таким же образом, если аноды всех светодиодов соединены вместе и посредством подачи логического сигнала LOW, то отдельные сегменты подсвечиваются.

Светодиодные преимущества, недостатки и области применения

Преимущества

  • Малый размер микросхемы и низкая стоимость
  • Длительный срок службы
  • Высокая энергоэффективность
  • Низкотемпературный
  • Гибкость конструкции
  • Много цветов
  • Экологичный
  • Высокая скорость переключения
  • Высокая сила света
  • Предназначен для фокусировки света в определенном направлении
  • Менее подвержены повреждениям
  • Меньше излучаемого тепла
  • Повышенная устойчивость к тепловым ударам и вибрациям
  • Отсутствие УФ-лучей

Недостатки

  • Зависимость выходной мощности излучения и длины волны светодиода от температуры окружающей среды.
  • Чувствительность к повреждениям повышенным напряжением и / или током.
  • Теоретический общий КПД достигается только в особых холодных или импульсных условиях.

Приложения

  • В автомобилях и велосипедных фарах
  • В светофоре Указатели, знаки и сигналы
  • В платах отображения данных
  • В медицине и игрушках
  • Невизуальные приложения
  • Лампочки и многое другое
  • Пульт дистанционного управления

Светодиоды как источник света для интраоперационной фотодинамической терапии

Разработка более экономичных источников света для фотодинамической терапии опухолей головного мозга принесет пользу как для исследований, так и для клинических применений.В этом исследовании было исследовано использование светодиодных матриц для фотодинамической терапии опухолей головного мозга с фотофрин порфимером натрия. Создан надувной баллон со светодиодным наконечником. Эти светодиоды созданы на основе нового полупроводникового арсенида алюминия-галлия. Они могут излучать красный свет широкого спектра с высокими уровнями мощности с максимальной длиной волны 677 нм и полосой пропускания 25 нм. Баллон надували 0,1% -ным интралипидом, который служил светорассеивающей средой.Измерения светового потока в нескольких точках показали высокую степень рассеивания света. Затем спектральное излучение этого зонда сравнивали со спектром поглощения фотофрина. Этот анализ показал, что свет, поглощенный фотофрином с использованием светодиодного источника, составлял 27,5% от света, поглощенного с использованием монохроматического света с длиной волны 630 нм. Таким образом, для достижения световой дозы энергии, эквивалентной дозе лазерного источника света, световой поток светодиода должен быть увеличен в 3,63 раза. Эта потребность в дополнительной энергии составляет разницу между поглощением фотофрина на длине волны 630 и 677 нм.Используя светодиодный зонд и адаптер для лазерного баллона, было проведено сравнение токсичности ствола головного мозга у собак. Светодиодный и лазерный свет показали одинаковые признаки токсичности при эквивалентных дозах световой энергии и фотофрина. Максимальная переносимая доза фотофрина составляла 1,6 мг / кг при использовании световой энергии 100 Дж / см2, подаваемой с помощью лазера или светодиода. В этом исследовании сделан вывод о том, что светодиоды являются подходящим источником света для фотодинамической терапии опухолей головного мозга с помощью фотофрина. Кроме того, светодиоды могут стать высокоэффективными источниками света для фотосенсибилизаторов второго поколения с длинами волн поглощения, близкими к пиковому излучению светодиода.

Что такое светодиод?

Что такое светодиод?

Чтобы понять светодиоды, мы должны сначала взглянуть на то, что такое диод. Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Обычно полупроводник — это материал с различной способностью проводить электрический ток. Обычно можно найти полупроводники, изготовленные из плохого проводящего материала, в который добавлены примеси. Добавление примесей называется легированием.

Если смотреть на диод в светодиодах, то материал проводника обычно представляет собой арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). При использовании чистого AlGaAs все атомы идеально связываются друг с другом, создавая нулевые свободные электроны (отрицательно заряженные частицы) для проведения электричества. При использовании легированного материала в полупроводнике дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дыры, через которые электроны могут уйти. Любое из этих изменений делает материал более токопроводящим.

При легировании полупроводникового материала вы получаете два варианта: материал N-типа или материал P-типа. В материале N-типа есть лишние электроны и отрицательно заряженные частицы. В материале P-типа есть лишние отверстия, так как в нем есть дополнительные положительно заряженные частицы.

Диод в этом случае состоит из секции материала N-типа, прикрепленной к секции материала P-типа, с электродами на каждом конце. Таким образом, электричество проводится только в одном направлении. Когда на диод не подается напряжение, электроны из материала N-типа заполняют дыры в материале P-типа вдоль соединения между слоями, создавая так называемую зону обеднения.Чтобы устранить эту зону, вы должны заставить электроны двигаться от материала N-типа к материалу P-типа, а дырки — в обратном направлении. Для этого вы подключаете сторону N-типа диода к отрицательному концу цепи, а материал P-типа — к положительному концу.

Это взаимодействие между электронами и дырками имеет очень важный побочный эффект — оно создает свет!

Как диод создает свет?

Давайте вернемся к самому началу: свет — это форма энергии, которая может выделяться атомом.Частицы, называемые фотонами, — это самая основная единица света.

Фотоны — это результат движения электронов. Внутри атома электроны движутся по орбиталям вокруг ядра. Электроны на разных орбиталях имеют разные меры энергии. Электроны с большей энергией обычно перемещаются по орбиталям дальше от ядра.

Чтобы электрон переместился на более высокую орбиталь, что-то должно увеличить его энергию. Точно так же, когда электрон опускается на более низкую орбиталь, электрон выделяет энергию.Выделяемая энергия — это фотон.

Как мы упоминали выше, свободные электроны, движущиеся по диоду, могут попадать в пустые отверстия на материале P-типа. Когда эти электроны падают, они выделяют энергию в виде фотонов. Хотя это происходит во всех диодах, вы можете видеть фотоны (и свет) только тогда, когда диод состоит из определенных материалов. При использовании стандартного кремниевого диода электроны падают на небольшое расстояние, делая частоту фотона слишком низкой для человеческого глаза. Это то, что называется инфракрасной частью светового спектра.Но у этого света есть цель, например, для пульта дистанционного управления!

Чтобы создать видимые светодиоды, материалы должны создавать более широкий зазор между зоной проводимости и нижними орбиталями для создания видимого света. Размер этого промежутка определяет частоту фотонов или, другими словами, цвет света. В зависимости от типа материалов, используемых для создания светодиодов, их можно использовать для создания инфракрасного, ультрафиолетового и всех промежуточных цветов видимого спектра!

Каковы преимущества светодиода?

Все диоды создают и излучают свет, но не все делают это эффективно.Светодиоды производятся для испускания большого количества фотонов наружу. Кроме того, они помещены в пластиковую лампочку, которая концентрирует свет в определенном направлении.

Так чем же светодиоды лучше традиционных лампочек? Во-первых, они не содержат нити накала, которая может перегореть, что продлевает срок их службы. Кроме того, их пластиковая колба делает их намного более прочными и менее склонными к поломке при падении или ударе. Но все мы знаем главное преимущество: эффективность.

В отличие от традиционных ламп, которые выделяют огромное количество тепла, светодиоды выделяют очень мало тепла, а для создания света используется гораздо больший процент мощности.Верно также и то, что светодиоды на ватт излучают больше люмен света, чем обычные лампы накаливания, и могут работать до 50 000 часов!

Где найти светодиоды?

Светодиоды

начали свое существование задолго до того, как попали на рынок освещения. Как Stuff Works называет их незамеченными героями технологий! Вы можете найти светоизлучающие диоды в цифровых часах, которые передают информацию с пультов дистанционного управления, освещают часы, формируют вместе для создания гигантских телевизионных экранов или освещают светофоры.Сегодня они делают все это и многое другое, освещая наши дома, предприятия и уличные фонари!

Где найти светодиоды? В компании Sitler’s LED Supplies!

Sitler’s — это ваша светодиодная штаб-квартира! Мы не только знакомы с наукой, лежащей в основе светодиодных фонарей, у нас есть лучшие продукты для вашего дома, бизнеса или сарая! Позвоните нам сегодня по телефону (319) -519-0039 или отправьте нам электронное письмо, чтобы узнать больше или начать свое путешествие в мир светодиодов уже сегодня!

Опубликовано в Основы светодиодного освещения

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.