Содержание, карта.
Home » Misc » Строение светодиода

Строение светодиода


Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

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

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

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

1. Что такое светодиод?

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

2. Из чего состоит светодиод?

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

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

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

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

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

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

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

5. Чем хорош светодиод?

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

6. Чем плох светодиод?

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

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

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

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

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

8. От чего зависит цвет светодиода?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих - 35%.

Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

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

12. Какой из трех способов лучше?

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

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

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

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

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

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

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

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

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

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

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

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

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

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

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

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

18. Чем определяется срок службы светодиода?

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

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

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

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

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

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

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

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

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

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

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

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

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

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

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

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

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

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

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

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

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

26. Возможности и применение

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

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

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

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

27. Преимущества

Экономично. ..

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

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

Удобно...

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

Надежно...

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

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

Красиво...

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

Представительно...

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

Подробное устройство и принцип работы светодиода

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

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

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

Содержание

  • 1 Что такое светодиод?
  • 2 Устройство, конструкция и технологические отличия
    • 2.1 DIP
    • 2.2 SMD
    • 2.3 COB
  • 3 Принцип работы светодиода

Что такое светодиод?

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

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

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

Устройство, конструкция и технологические отличия

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

DIP

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

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

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

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

SMD

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

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

COB

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

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

Принцип работы светодиода

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

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

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

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

Светоизлучающий диод (LED) — работа, конструкция и обозначение


Электроника приборы и схемы >> Полупроводники диоды >> Светоизлучающий диод (LED)

Что такое свет?

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

В 1879 году Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания. В свете лампочка, электрический ток проходит через нить внутри лампочка.

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

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

Светоизлучающий Диоды (светодиоды), электрическая энергия, протекающая через них, непосредственно преобразуется в световую энергию.

Свет – это тип энергия, которую может выделить атом. Свет состоит из множества мелких частиц, называемых фотонами. Фотоны обладают энергией и импульс, но не масса.

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

Электроны отрицательно заряжены, протоны заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда.

Привлекательный сила между протонами и нейтронами заставляет их слипаться вместе образуют ядро. Нейтроны не имеют заряда. Следовательно общий заряд ядра положительный.

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

Например, электроны, вращающиеся очень близко к ядру, имеют низкую энергию тогда как электроны вращаются дальше от ядра обладают высокой энергией.

Электроны в Нижний энергетический уровень требует дополнительной энергии для прыжка на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия может быть подается из внешнего источника. Когда электроны вращаются вокруг ядра получают энергию из внешнего источника, они прыгают в более высокие орбита или более высокий энергетический уровень.

Электроны в более высокий уровень энергии не будет оставаться в течение длительного периода времени. После короткое время электроны возвращаются на более низкий энергетический уровень. Электроны, перескакивающие с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень высвобождает энергию в виде фотона или свет. В некоторых материалах эта потеря энергии высвобождается в основном в виде тепла. Электрон, теряющий большую энергию высвобождает фотон большей энергии.

Что такое свет Излучающий диод (светодиод)?

Светоизлучающий Диоды (светодиоды) являются наиболее широко используемыми полупроводниковыми диоды среди всех различных типов полупроводников Диоды в наличии сегодня. Светодиоды излучают либо видимые свет или невидимый инфракрасный светится при прямом смещении. Светодиоды, излучающие невидимое инфракрасный свет используется для дистанционного управления.

Светоизлучающий Диод (LED) — оптический полупроводниковый прибор, излучающий свет, когда напряжение применяется. Другими словами, светодиод представляет собой оптический полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергия света.

При излучении света Диод (светодиод) с прямым смещением, свободный электроны в зоне проводимости рекомбинируют с дырками в валентную зону и высвобождает энергию в виде света.

Процесс излучающий свет в ответ на сильное электрическое поле или поток электрического ток называется электролюминесценцией.

Обычный диод с p-n переходом пропускает электрический ток только в одном направлении. Это позволяет электрический ток при прямом смещении и не позволяет электрический ток при обратном смещении. Таким образом, нормальный p-n Диод-переходник работает только в режиме прямого смещения.

Как обычный p-n переходные диоды, светодиоды тоже работают только при прямом смещении состояние. Для создания светодиода материал n-типа должен быть подключен к отрицательной клемме аккумулятора и p-типа материал должен быть подключен к положительной клемме батарея. Другими словами, материал n-типа должен быть отрицательно заряжены, и материал p-типа должен быть положительно заряжен.

Строительство Светодиод подобен обычному диоду с p-n переходом, за исключением того, что галлий, фосфор и мышьяк материалы используются для конструкции вместо кремниевых или германиевых материалов.

В нормальном p-n переходных диодов, кремний наиболее широко используется, потому что он менее чувствительны к температуре. Кроме того, он позволяет электрически ток эффективно без каких-либо повреждений. В некоторых случаях, германий используется для изготовления диодов.

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

Слои светодиодов

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

Полупроводник P-типа

Если трехвалентный примеси добавляются к собственному или чистому полупроводнику, образуется полупроводник р-типа.

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

Полупроводник N-типа

Если пятивалентный примеси добавляются к собственному полупроводнику, n-типу образуется полупроводник.

В n-типе полупроводник, свободные электроны являются основными носителями заряда а дырки являются неосновными носителями заряда. Таким образом, бесплатно электроны переносят большую часть электрического тока в n-типе полупроводник.

Слой или область истощения

Область обеднения область, присутствующая между полупроводником p-типа и n-типа где отсутствуют подвижные носители заряда (свободные электроны и дырки). настоящее время. Эта область действует как барьер для электрического тока. Он противостоит потоку электронов из полупроводника n-типа и поток дырок из полупроводника р-типа.

Для преодоления барьер обедненного слоя, нам нужно применить напряжение, которое выше барьерного потенциала обедненного слоя.

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

Как светло Излучающий диод (LED) работает?

Светоизлучающий Диод (светодиод) работает только в режиме прямого смещения. Когда Свет Излучающий диод (светодиод) смещен в прямом направлении, свободные электроны со стороны n, а отверстия со стороны p сдвинуты к узел.

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

Из-за рекомбинация свободных электронов и дырок в обедненной область, ширина области истощения уменьшается. В результате больше заряда перевозчики будут пересекать p-n узел.

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

Таким образом, рекомбинация происходит в области обеднения, а также в р-типе и полупроводник n-типа.

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

Из кремния и германиевые диоды, большая часть энергии выделяется в виде тепла и излучаемого света слишком малы.

Однако в такие материалы, как арсенид галлия и фосфид галлия. испускаемые фотоны имеют достаточную энергию для создания интенсивных видимый свет.

Как светодиод излучает свет?

При внешнем напряжение приложено к валентности электроны, они набирают достаточную энергию и разрывают связи с родительским атомом. валентные электроны, которые разрывы связи с родительским атомом называются свободными электронами.

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

Энергетический уровень все валентные электроны почти одинаковы. Группировка диапазона энергетических уровней всех валентных электронов называется валентная полоса.

Аналогично, энергетический уровень всех свободных электронов почти одинаков. Группировка диапазона энергетических уровней всех свободных электронов называется зоной проводимости.

Энергетический уровень свободных электронов в зоне проводимости больше, чем в энергетический уровень валентных электронов или дырок в валентном группа. Следовательно, свободные электроны в зоне проводимости должны теряют энергию, чтобы рекомбинировать с дырками в валентная полоса.

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

Потеря энергии свободных электронов или интенсивность испускаемого света зависит от запрещенная зона или энергетическая щель между зоной проводимости и валентная полоса.

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

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

В обычном кремнии диоды, энергетическая щель между зоной проводимости и валентной полоса меньше. Следовательно, электроны падают только на короткое расстояние. В результате высвобождаются фотоны низкой энергии. Эти низкоэнергетические фотоны имеют низкую частоту, невидимую человеческому глазу.

В светодиодах энергия Зазор между зоной проводимости и валентной зоной очень велик, поэтому свободные электроны в светодиодах имеют большую энергию, чем свободные электроны в кремниевых диодах. Следовательно, свободные электроны падают на большое расстояние. В результате фотоны высокой энергии вышел. Эти высокоэнергетические фотоны имеют высокую частоту, которая виден человеческому глазу.

Эффективность генерация света в светодиоде увеличивается с увеличением инжектируемого тока и при понижении температуры.

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

При излучении света диод смещен в обратном направлении, свободные электроны (большинство носители) с n-стороны и дырки (основные носители) с p-сторона отходит от стыка. В результате ширина обедненная область увеличивается и нет рекомбинации заряда встречаются носители. Таким образом, свет не производится.

Если обратное смещение напряжение, подаваемое на светодиод, сильно увеличивается, устройство может также быть поврежденным.

Все диоды излучают фотоны или свет, но не все диоды излучают видимый свет. Материал светодиода подобран таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находится в пределах видимого часть светового спектра.

Светоизлучающие диоды могут включаться и выключаться с очень высокой скоростью 1 нс.

Светоизлучающие диод (LED) символ

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

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

Схема символ светодиода не представляет цвет света. схематическое обозначение одинаково для всех цветов светодиодов. Следовательно, это невозможно определить цвет светодиода, увидев его условное обозначение.

Светодиод строительство

Один из методов используется для создания светодиода состоит в осаждении трех полупроводниковых слоев на подложке. Три полупроводниковых слоя, нанесенных на подложка - полупроводник n-типа, полупроводник p-типа и активной области. Активная область находится между Полупроводниковые слои n-типа и p-типа.

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

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

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

Смещение светодиода

Сейф вперед номинальное напряжение большинства светодиодов от 1В до 3В и выше номинальный ток от 200 мА до 100 мА.

Если напряжение применительно к светодиоду находится в диапазоне от 1 В до 3 В, светодиод работает отлично потому что ток для приложенного напряжения находится в рабочий диапазон. Однако, если напряжение, подаваемое на светодиод, повышается до значения более 3 вольт. Истощение область в светодиоде выходит из строя, и электрический ток вдруг поднимается. Этот внезапный рост тока может разрушить устройство.

Во избежание этого мы нужно поставить резистор (R s ) последовательно со светодиодом. Резистор (R s ) должен располагаться между источником напряжения (Vs) и светодиодом.

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

Текущий ток через светодиод математически записывается как

Где,

I F = Прямой ток

V S = Напряжение источника или напряжение питания

V D = Падение напряжения на светодиоде

р S = Резистор или токоограничивающий резистор

Падение напряжения количество напряжения, затрачиваемого на преодоление области обеднения барьер (что приводит к протеканию электрического тока).

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

Следовательно, для для работы светодиода нам нужно применять большее напряжение, чем кремний или германиевые диоды.

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

Выход характеристики светодиода

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

Видимые светодиоды и невидимые светодиоды

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

Видимый светодиод Тип светодиода, который излучает видимый свет. Эти светодиоды в основном используется для отображения или освещения, где используются светодиоды индивидуально без фотодатчиков.

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

Что определяет цвет светодиода?

Используемый материал для построения светодиода определяет его цвет. Другими словами, Длина волны или цвет излучаемого света зависит от запрещенная зона или энергетическая зона материала.

Различные материалы излучают разные цвета света.

Светодиоды из арсенида галлия излучают красный и инфракрасный свет.

Светодиоды из нитрида галлия излучают ярко-синий свет.

Светодиоды с иттрий-алюминиевым гранатом излучают белый свет.

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

Алюминий-нитрид-галлиевые светодиоды излучают ультрафиолетовый свет.

Светодиоды из фосфида алюминия и галлия излучают зеленый свет.

Преимущества Светодиод

  1. яркость света, излучаемого светодиодом, зависит от силы тока течет через светодиод. Следовательно, яркость светодиода может быть легко регулируется изменением тока. Это делает возможна эксплуатация светодиодных дисплеев при различных условиях окружающей среды условия освещения.
  2. Светодиоды потребляют мало энергии.
    3. Светодиоды
  3. очень дешевы и легко доступны.
    4. Светодиоды
  4. имеют малый вес.
  5. Меньший размер.
    6. Светодиоды
  6. имеют более длительный срок службы.
    7. Светодиоды
  7. работают очень быстро. Их можно включать и выключать в очень меньше времени.
    8. Светодиоды
  8. не содержат токсичных материалов, таких как ртуть, которая используется в люминесцентных лампах.
    9. Светодиоды
  9. могут излучать разные цвета света.

Недостатки светодиодов

  1. светодиодов нужно больше мощности для работы, чем у обычных диодов с p-n переходом.
  2. Низкая светоотдача светодиодов.

Применение светодиодов

      Различные области применения светодиодов:

        1. Системы охранной сигнализации
        2. Калькуляторы
        3. Телефоны с картинками
        4. Светофоры
        5. Цифровые компьютеры
        6. Мультиметры
        7. Микропроцессоры
        8. Цифровые часы
        9. Автомобильные тепловые лампы
        10. Вспышки камеры
        11. Авиационное освещение

        Типы диодов

        различные типы диодов:

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

              9Структура светоизлучающего диода 0000 » Заметки по электронике

              Подробная информация о том, как излучающий диод, светодиод - его структура, изготовление, подробности о типах конструкции светодиодов.

              Учебное пособие по светоизлучающим диодам Включает:
              Светодиод Как работает светодиод Как делают светодиод Технические характеристики светодиодов срок службы светодиода светодиодные пакеты Светодиоды высокой мощности/яркости Технология светодиодного освещения Органические светодиоды, OLED

              Другие диоды: Типы диодов

              Существует очень много различных типов светодиодов, но чтобы объяснить, как они изготавливаются и какова их структура, лучше всего начать с конструкции и изготовления простого индикаторного светодиода.

              Светодиоды

              представляют собой специальную форму диодов с PN-переходом, которые были разработаны для оптимизации их электролюминесценции. Для достижения оптимальных результатов структура и производственные процессы должны быть адаптированы для обеспечения оптимальной светоотдачи.

              Существует ряд различных аспектов конструкции и производства светодиодов. К ним относится не только изготовление самого светодиода, но и упаковка светодиода после изготовления самого полупроводникового чипа.

              Структура кристалла светодиода

              Кристалл или собственно полупроводниковый элемент светоизлучающего диода является активной частью всего диода. Можно использовать две основные конфигурации.

              • Структура светодиодов с краевым излучением:  Эта форма светодиодной структуры излучает свет в плоскости, параллельной стыку PN-перехода. В этой конфигурации свет может быть ограничен узким углом.
              • Светодиодная структура с поверхностным излучением:   Эта форма светодиодной структуры излучает свет перпендикулярно плоскости PN-перехода.

              Активные пленки светодиодной структуры обычно выращиваются эпитаксиально, часто с помощью эпитаксии в жидкой или паровой фазе. Подложки выбираются так, чтобы их решетка была близкой к активным слоям.

              Общие подложки: GaAS, GaP, InP. PN-переход может быть создан либо путем диффузии примесей, ионной имплантации, либо он может быть внедрен во время фазы эпитаксиального роста.

              Коммерчески светодиоды существуют в самых разных формах, начиная от отдельных светодиодных индикаторов, где в упаковке находится только один светодиод, и заканчивая разнообразными дисплеями и огромными массивами светодиодов в светодиодных экранах.

              Для некоторых ограниченных приложений можно использовать различные типы диодных переходов светодиодов PN. Это могут быть контакты Шоттки и переходы МДП (металл-внутренний-полупроводник). Однако они, как правило, менее эффективны, а иногда их труднее надежно сформировать.

              Общая структура пакета светодиодов

              Существует множество различных стилей светодиодов. Одним из наиболее широко используемых является простой пакет светодиодных индикаторов. Это дает представление о способе упаковки светодиодов.

              В дополнение к очень простому светодиодному индикатору существует много других типов светодиодов, включая буквенно-цифровые дисплеи и более сложные светодиодные дисплеи.

              Структуру светодиодного индикатора панели можно разделить на три основных элемента: