Из чего состоит светодиод: Принцип работы светодиода и его устройство
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.
Устройство светодиода и принцип действия
Светодиод сокращённо (СД), светоизлучающий диод (СИД), light emitting diode сокращённо LED – это полупроводниковое устройство, которое способно создавать световое излучение различной интенсивности при подключении его в прямом направлении к электрическому току.
Светодиод: устройство.Основа светодиода – полупроводниковый кристалл. Кристалл размещается на металлическое основание катод, который также является отражателем.
Кристалл соединяется тонкой проволокой с анодным выводом. Вся конструкция помещается в корпус колбу нужной формы, верхняя часть колбы состоит из рассеивающей или собирающей линзы. От формы линзы зависит угол рассеивания светового потока, чем более плоская линза, тем шире угол рассеивания и наоборот, чем выпуклей линза, тем уже световой поток.
Для изготовления кристалла светодиода могут, используются такие полупроводниковые материалы как арсенид галлия, алюминия галлия арсенид, галлия фосфид, галлия арсенид-фосфид, кремний и пр.
В зависимости от материала, из которого сделан кристалл, светодиод может излучать заданный спектр свечения.
Все светодиоды можно поделить на два основных типа:
Осветительные – более мощные светодиоды, используются в осветительных приборах.
Типы осветительных диодов:
- SMD.
- HP – высокой яркости.
- HP – высокой мощности.
Принцип действия светодиода основан на так называемом p-n (электронно-дырочном) переходе.
Светодиод включает в себя полупроводниковый p-n переход, где материал — n обогащён отрицательными носителями заряда (приобретают дополнительные электроны), а материал – p положительными носителями заряда (приобретают «дырки» места, где отсутствуют электроны на орбитах атомов).
Когда в диоде возникает электрическое поле, электроны из материала — n и дырки из материала – p, устремляются к p – n переходу, где электроны инжектируются в – p материал.
При подаче отрицательного напряжения со стороны – n проходит ток в материал – p (прямое смещение).
При переходе из – n в – p избыточные электроны рекомбинируют с «дырками» при этом выделяется энергия из элементарных частиц фотонов и светодиод испускает свечение.
Обозначение светодиода в электрических схемах.Светодиод может работать только при пропускании через него тока в прямом направлении (анод положительный потенциал относительно катода).
Недопустимо подключение светодиода обратной полярностью к источнику напряжения, светодиоды обычно имеют невысокое обратное пробивное напряжение, поэтому если в схеме возможно обратное напряжение светодиод нужно дополнительно защитить параллельно подключённым обычным диодом.
Подключать светодиод к источнику напряжения можно только через ограничитель тока, например через последовательно подключённый резистор.
Некоторые диоды могут иметь встроенную в корпус токоограничивающую цепь.
Для мощных светодиодов также применяются схемы, с широтно импульсной модуляцией которые могут поддерживать среднее значение тока на заданном уровне.
При пропускании через светодиод тока превышающего предельно допустимые параметры, светодиод мгновенно перегревается и выходит из строя.
Преимущества применения светодиодов в качестве источников света.
Высокая светоотдача до 146 люмен на ватт.
Современные светодиоды имеют широкий спектр свечения от 2700 К (теплый белый) до 6500 К (холодный белый).
Низкая инерционность, светодиод включается сразу на полную яркость.
Угол излучения от 15 до 180 градусов.
Механическая прочность и вибростойкость.
Светодиоды не чувствительны к низким температурам.
Продолжительный срок службы светодиодов, некоторые светодиоды могут работать до 100000 часов.
На продолжительность службы светодиодов не влияет количество циклов включения-выключения, в отличие от газоразрядных ламп и ламп накаливания.
Экологичность – в отличие от люминесцентных ламп для производства светодиодов не используются опасные материалы, такие как ртуть и фосфор.
Недостатки светодиодов.
При недостаточном отводе тепла у мощных светодиодов происходит деградация и падение яркости кристалла.
Светодиоды чувствительны к перепадам напряжения, повышенное напряжение приводит к перегреву светодиода и сокращает срок его службы.
Применение светодиодов.
Современные мощные светодиоды применяются в промышленном и бытовом освещении, светодиоды используются в качестве источников света в лампах, фонарях, светильниках, светодиодных лентах.
Светодиоды применяются в подсветке жидкокристаллических экранов телевизоров, мониторов, мобильных телефонов.
Маломощные светодиоды применяются в качестве индикаторов для бытовых и промышленных приборов, используются в панелях управления и пр.
Поделиться в соц. сетях
Что такое светодиод. Краткое описание
Главная » Электроника для начинающих » Что такое светодиод. Краткое описание
В двух словах, светодиод (LED) представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электрического тока. Свет возникает, когда частицы, несущие ток (известные как электроны и дырки) объединяются в полупроводниковом материале в зоне p-n перехода.
Поскольку свет генерируется в твердом полупроводниковом материале, светодиоды описываются как твердотельные устройства. Термин твердотельное освещение, которое также включает в себя органические светодиоды (OLED), отличает эту технологию освещения от других источников света, таких как лампы накаливания, галогенные лампы, флуоресцентные лампы.
Различные цвета светодиодов
Внутри полупроводникового материала светодиода электроны и дырки находятся в энергетических зонах. Ширина запрещенной зоны определяет энергию фотонов (частиц света), излучаемых светодиодом.
Энергия фотона определяет длину волны испускаемого света и, следовательно, его цвет. Различные полупроводниковые материалы с различными запрещенными зонами создают разные цвета света. Точная длина волны (цвет) могут быть настроены путем изменения состава светоизлучающей или активной области.
Светодиоды состоят из соединений полупроводниковых элементов из III и V группы периодической таблицы химических элементов Менделеева. Примерами таких материалов, которые обычно используются в производстве светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP).
До середины 90-х годов светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, в частности, коммерческие синие и белые светодиоды не существовали. Разработка светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) завершила палитру цветов и открыла множество новых устройств.
Основные материалы, используемые при изготовлении светодиодов
Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства светодиодов, являются:
- InGaN: синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости
- AlGaInP: желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости
- AlGaAs: красные и инфракрасные светодиоды
- GaP: желтые и зеленые светодиоды
Подключение светодиодов
Как уже было сказано выше, светодиоды имеют различные цвета и рабочие напряжения. Важной характеристикой светодиода является его номинальный ток. В зависимости от рабочего напряжения нам необходимо рассчитать резистор для светодиода, чтобы избежать повреждения светодиода большим током.
В электронных устройствах с напряжением питания 5 вольт для большинства маломощных светодиодов, как правило, резистора сопротивлением около 220 Ом вполне достаточно.
Светодиоды имеют полярность. Поэтому, чтобы светодиод светился, его анод должен быть соединен с плюсом источника питания, а катод с минусом. Обычно у светодиода ножка анода длиннее, чем ножка катода. К тому же, со стороны катода корпус светодиода скошен.
Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…
Подробнее
Не следует беспокоиться при ошибке в полярности подключения. Со светодиодом ничего не случиться, просто он не будет светиться. За исключением особого случая, когда вы подали очень большое напряжение.
Помимо простых светодиодов, существуют также RGB-светодиоды
, которые могут отображать любой цвет, основанный на системе RGB. Светодиод RGB можно представить в виде отдельных трех светодиодов в одном корпусе: красный (R), зеленый (G), синий (B). Изменяя интенсивность свечения каждого из них, мы можем получить любой цвет.У RGB светодиодов есть четыре вывода для подключения — по одному для каждого цвета (три вывода) и один для плюса (общий анод) или минуса (общий катод) питания.
Если у вас RGB светодиод с общим катодом, то схема подключения будет следующей:
Здесь мы видим, что три вывода подключаются через резисторы к источнику питания или к микроконтроллеру (например, Arduino), а четвертый вывод к минусу питания.
Если же у вас RGB светодиод с общим анодом, то схема подключения будет следующей:
Следует обратить внимание, что нужно подключать сопротивления к каждому цвету, поскольку светодиоды работают с меньшим напряжением, чем выход микроконтроллера.
Если у вас нет именно этих сопротивлений, то используйте большее сопротивление (это верно во всех случаях, когда сопротивление используется для защиты от перенапряжения — мы выбираем меньше напряжения, в пользу сохранения светодиода).
Блок питания 0…30В/3A
Набор для сборки регулируемого блока питания…
Подробнее
Categories Электроника для начинающих Tags Светодиод
Отправить сообщение об ошибке.
Всё о светодиоде
Что такое светодиод
Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED, по-русски — СИД.
Из чего состоит светодиод?
Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного современного светодиода схематически изображена на рисунке.
Чем хорош светодиод?
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы,электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение,но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности.Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
В рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.
Чем определяется срок службы светодиода?
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 50 — 100тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости.
Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют. Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально.
Где сегодня целесообразно применять светодиоды?
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах.Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию и где высоки требования по электробезопасности.
Возможности и применение
Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку -относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.
Появление сверхярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов(в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного,синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков,а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.
Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий,отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными-газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого светодиоды еще недостаточно распространены является пока еще высокая стоимость светодиодов.
Преимущества
Экономично
Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы газоразрядных и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.
За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать»от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!
Работа при низких температурах
Благодаря полупроводниковой природе светодиодов их яркость обратно пропорциональна температуре окружающей среды, что делает их применение особенно актуальным в наших климатических условиях. Диапазон температуры эксплуатации светодиодов от -50. ..+60 град С.
Стойкость к механическим воздействиям
Отсутствие стеклянных деталей, нитей накаливание делает светодиоды устойчивыми к механическим воздействиям, ударам и вибрации.
Высокая светоотдача
Яркость светодиодов сравнима с неоном. Для сравнения: обычная лампа накаливания дает до 10 люмен на 1 Вт потребленной энергии, светодиоды — 70 люмен и выше.Сверхяркие светодиоды обеспечивают сильный световой поток для изделий такого класса.
Чистота цвета
Возможность получения любого цвета и оттенка излучения светодиодов: например,чистый синий, чистый белый, оранжевый, сине-зеленый и десятки других чистых цветов и оттенков — чего нельзя получить, используя лампы накаливания.
Высокий уровень безопасности
Обеспечивается малым тепловыделением светодиодов и низким питающим напряжением.
Простой электромонтаж
А также легкое крепление к любой поверхности существенно облегчают монтаж и ремонт, и соответственно расходы связанные с ними.
Безинерционность
Возможность управления через контроллеры, диммеры, в том числе с плавным изменением яркости и цвета свечения. Управляя интенсивностью и режимом свечения можно достичь фантастического эффекта «живого света».
Замена существующих источников света
Светотехнические и электрические параметры модулей позволяют легко заменить любые ранее установленные источники света и значительно сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание.
Экологическая и пожарная безопасность
Не содержат вредных веществ, побочного ультрафиолетового или инфракрасного излучения и почти не нагреваются.
Недостатки
Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость — главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и газоразрядными лампами различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 — 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.
Светодиод | это… Что такое Светодиод?
Светодиодная лампа
Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.
В 1907 году Генри Джозеф Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.
Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены О. В. Лосевым в 1923 году, который, экспериментируя с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.
Вероятно, первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
Содержание
|
История
Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния
Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.
В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.
Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.
Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.
Вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды назывались «Losev Light» «Свет Лосева». В силу того, что в СССР в 1960-е годы такие науки, как кибернетика, генетика были в загоне, то таким мелочам, как светодиоды не уделялось должного внимания как со стороны академии наук, так и со стороны патентных организаций СССР. Постепенно название «Losev Light» упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.
Вклад советских учёных
Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи спая[1]. Теоретического объяснения явлению тогда не было.
Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом. | Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения. | Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Яркость свечения сравнима с яркостью лампы накаливания мощностью 15 Вт. | Современные мощные сверх-яркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа. |
О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за СССР приоритет в области светодиодов[2], утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.
Характеристики
Обозначение светодиода в электрических схемах
Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.
Современные сверхъяркие светодиоды обладают менее выраженной полупроводимостью, чем обычные диоды. Высокочастотные пульсации в питающей цепи (т.н. «иголки») и выбросы обратного напряжения приводят к ускоренному деградированию кристалла. Скорость деградирования также зависит от питающего тока (нелинейно) и температуры кристалла (нелинейно).
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Цвета и материалы полупроводника
См. также: Синий светодиод и Белый светодиод
Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:
Цвет | длина волны (нм) | Напряжение (В) | Материал полупроводника | |
---|---|---|---|---|
Инфракрасный | λ > 760 | ΔU < 1.9 | Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs) | |
Красный | 610 < λ < 760 | 1.63 < ΔU < 2.03 | Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP) | |
Оранжевый | 590 < λ < 610 | 2.03 < ΔU < 2. 10 | Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP) | |
Жёлтый | 570 < λ < 590 | 2.10 < ΔU < 2.18 | Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP) | |
Зелёный | 500 < λ < 570 | 1.9[3] < ΔU < 4.0 | Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP) | |
Голубой | 450 < λ < 500 | 2.48 < ΔU < 3.7 | Селенид цинка (ZnSe) Индия-галлия нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке) | |
Фиолетовый | 400 < λ < 450 | 2.76 < ΔU < 4.0 | Индия-галлия нитрид (InGaN) | |
Пурпурный | Смесь нескольких спектров | 2. 48 < ΔU < 3.7 | Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком | |
Ультрафиолетовый | λ < 400 | 3.1 < ΔU < 4.4 | Алмаз (235 nm)[4] Нитрид бора (215 nm)[5][6] | |
Белый | Широкий спектр | ΔU ≈ 3.5 | Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором; |
Стоимость
Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока — порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.
К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверхмощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE 15-20$ CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10$.
Преимущества
По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:
- Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами[9] и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт.
- Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
- Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
- Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
- Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30% до 100% за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
- Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
- Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
- Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.
- Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия.
- Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
- Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.
Применение светодиодов
Комнатное освещение | В светофорах | В автомобильных фарах |
Основная статья: Светодиодное освещение
- В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т. ч. светодиодная лента)
- В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
- Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
- В оптопарах
- Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
- Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет[10])
- В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
- В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
- В светодиодных дорожных знаках.
- В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
Органические светодиоды — OLED
OLED дисплей
Основная статья: 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, чем жидкокристаллических.
Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.
Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.
Производство
Наиболее[источник не указан 41 день] крупным производителем светодиодов в мире является компания «Siemens» со своими дочерними предприятиями «Osram Opto Semiconductors» и «Osram Sylvania».
Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение Lumileds Lighting, а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.
«Nichia Chemical» — подразделение компании Nichia Corporation, где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: Cree, Emcore Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron, занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.
Крупнейшими[11] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г.Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод Samsung Electronics в Калужской области.
См. также
- Индукционная лампа
- Лампа накаливания
- Люминесцентная лампа
- Лазерный диод
- Светодиодный графический экран
- Синий светодиод
- Органический светодиод
- Медиафасад
Примечания
- ↑ ФИЗИК ЛОСЕВ Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
- ↑ О. В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов
- ↑ OSRAM: green LED
- ↑ (2001) «Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction». Science 292 (5523). DOI:10.1126/science.1060258. PMID 11397942.
- ↑ (2007) «Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure». Science 317 (5840). DOI:10.1126/science.1144216. PMID 17702939.
- ↑ (2004) «Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal». Nature Materials 3 (6). DOI:10.1038/nmat1134. PMID 15156198.
- ↑ (2006) «An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres». Nature 441 (7091). DOI:10.1038/nature04760. PMID 16710416.
- ↑ LEDs move into the ultraviolet, physicsworld.com (May 17, 2006). Проверено 13 августа 2007.
- ↑ Натриевая лампа — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
- ↑ Китайские ученые построили беспроводную сеть на светодиодах. Lenta.ru (18 мая 2010). Архивировано из первоисточника 25 августа 2011. Проверено 14 августа 2010.
- ↑ В Петербурге запустили завод светодиодов
Ссылки
Светодиоды — типы, принцип работы
Светоизлучающие диоды (LED) — это твердотельные электронные устройства, способные генерировать свет, пропуская электричество через p-n переход, смещенный в прямом направлении. Представляет собой полупроводниковый диод, который производит свет одной или нескольких длин волн.
Полупроводник — это вещество, электропроводность которого может изменяться в результате изменения температуры, приложенных полей (электрических или магнитных), концентрации примесей (например, легирования) и т. д. Диод — это устройство, при котором электрический ток может проходить только в одном направлении.
Полезные статьи:
Что такое светодиодный ЧИП? Типы, описание, характристики
Производство светодиодов (LED), материалы, технологии
Все статьи
Типы светодиодов
LED (light emitting diode) — светоизлучающий диод
Светодиоды — это тип твердотельного освещения, в котором свет излучается из твердого объекта (например, блока полупроводниковых или органических слоев или материалов), а не из вакуумной или газовой трубки, что имеет место в традиционных лампах накаливания и люминесцентных лампах. И поскольку подавляющее большинство светодиодов используют неорганические полупроводники, аббревиатура LED обычно представляет собой светодиоды на основе неорганических полупроводников.
Диммерные переключатели
Светодиод доступен с диммерными переключателями, как и другие лампы. Диммер в обычных лампах накаливания работает хуже, чем диммер в светодиодных лампах. Поэтому рекомендуется заменить стандартные лампочки на светодиодные, поскольку они работают с минимальной мощностью, чем другие стандартные источники света.
Белый светодиод
Светодиод доступен в трех вариантах:
- холодный,
- теплый,
- светодиод дневного света.
В большинстве домов используются лампы теплого белого цвета. Цвет светодиода дневного света, который имеет совершенно белый цвет с оттенком синего, в основном используется для выделения реального цвета.
Светодиодные трубки для освещения
Применяется для замены люминесцентных ламп, а в некоторых случаях может быть единственной заменой подвесного светильника. Другие конструкции требуют нового балласта и замены проводки. Он работает, предлагая серию светодиодных миниатюр по длине трубки и доступен в любых размерах.
SMD (СМД)Он расширен как устройство для поверхностного монтажа и популярен в светодиодном освещении. Встроенные в лампочку SMD-чипы имеют дополнительную яркость, которая надежна в офисе и дома.
COB
COB означает «чип на плате», который представляет собой другое поколение светодиодов и предлагает более сильное количество света, чем SMD, и имеет доступную опцию, поскольку пользователь считает луч управляющего света. Он обеспечивает лучшее соотношение ватт к люмену, что означает, что он имеет высокую производительность.
Графеновый светодиод
Популярный канал BBC поручил эволюцию света использовать светодиодную нить накаливания с графеновым покрытием, отмеченную как самая доступная в конце 2015 года. Она дешевле стандартных ламп и претендует на снижение счетов за электроэнергию примерно на 10%. Использование графена было изобретено русским ученым, работавшим в Манчестерском университете. Битва уже началась и помогает найти инновационное применение прочным материалам.
Традиционные и неорганические светодиоды
Доступен традиционным методом со встроенным диодом и производится из неорганических компонентов. Наиболее широко применяемые светодиоды изготавливаются из составных полупроводников, таких как:
- фосфид арсенида галлия,
- арсенид галлия алюминия
- и многое другое.
Цвет светодиодного света зависит от используемых материалов.
Эти светодиоды олицетворяются в виде небольшого светодиода, который подразумевается в панелях индикации с различным форматом светодиода и его типами. Его можно даже отнести к категории неорганических светодиодов, которые имеют различные стили светодиодов, такие как светодиоды для поверхностного монтажа, мигающие светодиоды, многоцветные и двухцветные светодиоды, которые могут работать от переменного напряжения, одноцветные светодиоды размером 5 мм, буквенно-цифровой светодиодный дисплей. Такие типы неорганических светодиодов очень распространены.
Яркие светодиоды
Светодиоды высокой интенсивности и светодиоды высокой яркости относятся к неорганическим светодиодам и начали их внедрение в приложения для освещения и украшения.
Такой тип светодиодов в настоящее время становится обязательным, как и неорганические светодиоды, и имеет выходную мощность с максимальной световой энергией. Чтобы получить максимальное количество света на выходе, светодиоду необходимы управляемые уровни рассеиваемой мощности и тока. Светодиод может быть установлен на радиаторе для устранения нежелательного излучения тепла.
Говоря об эффективности, светодиоды являются значительной заменой многих традиционных осветительных приборов. В настоящее время широко применяется бытовое освещение с автоматизированной лампой. Он имеет большие преимущества с точки зрения факторов окружающей среды и эффективности по сравнению с КЛЛ, компактными люминесцентными лампами и лампами накаливания.
Органический светодиод
Органический светодиод развернут с фундаментальной идеей светоизлучающих диодов. Как следует из названия, светодиод изготовлен из органических компонентов. Базовый светоизлучающий диод использует базовые неорганические полупроводники с различными уровнями примесей и излучает свет от специальных PN-переходов, которые являются фокусом света. Органический светодиодный дисплей изготавливается из тонких листов и создает зону рассеянного света.
В основном это тонкопленочный материал, который печатается на стеклянной подложке. Схема, выполненная из полупроводниковых компонентов, используется для передачи электрических зарядов на встроенные пиксели, которые заставляют светодиод светиться. Светодиодная технология постоянно растет вместе с уровнем ее эффективности и не имеет границ, которые можно было бы установить в любой области.
OLED
Некоторые светодиоды идут с органическими полупроводниками (небольшие молекулы или полимеры на основе углерода), а аббревиатура OLEDs обозначает эти светодиоды на основе органических полупроводников. Они очень похожи на светодиоды на основе неорганических полупроводников в том, что прохождение электрического тока через OLED генерирует возбужденное состояние, которое затем может излучать свет. Это основной компонент для телевизоров и мониторов нового поколения.
Светодиод включает в себя полупроводниковые материалы, легированные примесями, для получения p-n перехода, при этом электрический ток может прямолинейно течь в одном направлении от p-стороны (анод) к n-стороне (катод), однако не в обратном направлении. Светоизлучающий диод излучает свет, возбуждая электроны через запрещенную зону между зоной проводимости и валентной зоной дырок (полупроводниковый активный или светоизлучающий слой). Комбинация электрона и дырки может спонтанно генерировать фотон с определенной длиной волны или диапазоном длин волн.
Основной элемент
Фотон — это квант электромагнитного излучения или частица, передающая свет. Перефразируя, свет переносится в пространстве фотонами. Цветовые вариации видимого света обычно определяются электромагнитным излучением или оптическими длинами волн. Длина волны света, излучаемого любым конкретным светодиодом, зависит от количества энергии, выделяющейся при рекомбинации электрона и дырки. Цвет света (длина волны), излучаемого светоизлучающим диодом, зависит от полупроводниковых материалов активных слоев светоизлучающего диода. Различные длины волн света могут быть созданы с использованием различных материалов путем изменения запрещенных зон полупроводниковых слоев и формирования активного слоя внутри p-n перехода.
Длина волны цвета светодиода
Светодиоды могут излучать свет в одном диапазоне длин волн, например, красный, янтарный, желтый, зеленый, синий и т.д., Или могут быть изготовлены для излучения белого света с использованием широкого спектра различных типов полупроводниковых материалов, таких как, например, полупроводниковые материалы III-V и II-Vполупроводниковые материалы. Одноцветные светодиоды могут быть изготовлены с применением комбинации светодиода, излучающего свет первой длины волны, и материала преобразования света, например люминофора, который поглощает часть или всю первую излучаемую длину волны и повторно излучает ее на второй длине волны.
Светоизлучающие диоды могут работать индивидуально или в любых комбинациях, необязательно в сочетании с одним или несколькими люминесцентными материалами (например, люминофорами или сцинтилляторами) и/или фильтрами, излучая свет любого предпочтительного воспринимаемого цвета (включая белый).
Люминофор — это люминесцентный материал, который производит чувствительное излучение (в первую очередь видимый свет) при возбуждении источником возбуждающего излучения. Чаще всего реагирующее излучение имеет длину волны, которая обычно больше длины волны возбуждающего излучения. Включение люминесцентных материалов в светодиодные устройства в основном достигается путем включения люминесцентных материалов в прозрачный пластиковый инкапсулирующий материал (например, материал на основе эпоксидной смолы или силикона). Синий светодиод (обычно 460 нм), окруженный желтым люминофором, например, легированным церием иттриево-алюминиевым гранатом (YAG: Ce), который излучает свет в широкой полосе с центром в 550 нм.
Сочетание номинально желтого светового излучения от люминофора и синего света от светодиода излучает источник света, который имеет типично белый внешний вид. Опять же, светодиод, который излучает ультрафиолет (<400 нм), можно использовать для возбуждения смеси красных, зеленых и синих люминофоров.
В типичном светодиодном светильнике белого света монохроматический светодиод инкапсулирован прозрачным материалом, который содержит подходящие компенсационные люминофоры. Длина волны света, излучаемого компенсационным люминофором, дополняет длину волны света, излучаемого светодиодом, чтобы гарантировать, что длины волн от светодиода и компенсационного люминофора смешиваются вместе для генерации белого света.
Светодиодные чипы — умное устройство света
Светодиодные чипы обычно заключены в пакет, который извлекает свет и защищает чип от повреждения. Широко признанный и коммерчески доступный «светодиод», который продается (например) в магазинах электроники, обычно представляет собой «упакованное» устройство, состоящее из множества деталей. Вообще говоря, светодиодный пакет состоит из подложки, светодиодной матрицы (альтернативно называемой светодиодной микросхемой), предварительно установленной на подложке, и инкапсуляции, сформированной на подложке для покрытия светодиодной матрицы. Инкапсулятор инкапсулирует светодиодный чип и часть носителя для защиты светодиодного чипа и выставляет часть носителя за пределы инкапсулятора, чтобы дать функцию внешних электродов. Линза обычно крепится к светодиодной упаковке с помощью инкапсулята для направления или изменения природы света, излучаемого светодиодом. Светодиодная матрица часто монтируется на большую подложку для рассеивания тепла и упаковки. Подложка может содержать другие схемы, такие как устройство пассивного электростатического разряда. Пакет дополнительно имеет прочные анодные и катодные выводы для пайки к печатной плате.
Теплоотвод светодиодов
Как известно, светодиод также производит нежелательный побочный продукт — тепло во время генерации света. Когда электрон встречается с дыркой, он попадает на более низкий энергетический уровень и производит энергию в виде света (фотон, лучистая энергия) и тепла (фонон, тепловая энергия). Производительность светодиода чрезвычайно чувствительна к рабочей температуре, что делает тепловое управление жизненно важной задачей в дизайне светодиодного пакета. Тепло должно систематически рассеиваться, и / или мощность электропривода (и, следовательно, светоотдача) должна поддерживаться достаточно низкой, чтобы предотвратить дисфункцию или быстрое ухудшение производительности и / или поддерживать эффективность работы.
Существует целый ряд методов, которые были использованы для рассеивания тепла от упакованных электронных устройств. Типичные системы охлаждения могут включать в себя применение теплоотвода и / или вентилятора для охлаждения точки соединения. Теплоотвод — это компонент или узел, который подает генерируемое тепло в низкотемпературную среду. Радиаторы обеспечивают путь для поглощения тепла, производимого светодиодами, и для рассеивания тепла непосредственно или излучением в окружающую среду.
Напряжение для светодиодов
Светодиод переменного тока — это светодиод, который работает непосредственно от линейного напряжения переменного тока, в то время как светодиод постоянного тока использует драйвер для преобразования линейного напряжения в постоянный ток (DC).
Светодиоды — это низковольтные устройства, управляемые током, что означает, что они обычно работают с постоянным током. Светодиоды получают входной сигнал или модулированный прямоугольный входной сигнал для того, чтобы постоянный ток протекал через светодиодные чипы для генерации света. Поэтому интеграция светодиодов в жилые и коммерческие системы освещения (которые традиционно подключаются для приема переменного тока) требует подключения светодиода к цепи «драйвера», которая преобразует переменный ток в подходящий постоянный ток для светодиода.
Светодиодные драйверы можно регулировать освещенность светодиодов, контролируя количество тока, протекающего через светодиоды. Кроме того, светодиодные приводные цепи также могут преобразовывать мощность с одного уровня напряжения на другой.
Как управлять светодиодами?
Светодиоды управляются током, а не напряжением. Когда подается прямое напряжение и ток начинает течь, электроны в отрицательной области прыгают через зону истощения (переход), чтобы рекомбинировать с дырками в положительной области. Каждая рекомбинация электрона и дырки высвобождает квант электромагнитной энергии в виде света. Выход люмена (яркость) светодиода пропорционален прямому току, проходящему через светодиод. Чем выше ток привода, тем ярче светодиод. В то же время, однако, большее количество тепла генерируется на полупроводниковом переходе. Это связано с тем, что светодиоды преобразуют только около 50% энергии в свет, а оставшаяся часть энергии выделяется в виде тепла.
При превышении максимально допустимой температуры перехода высокий тепловой поток может привести к необратимому повреждению светодиода, а также к тепловому падению, которое является уменьшением оптической мощности при повышении температуры. При работе с более высокой плотностью тока высокие кинетические электроны могут генерироваться эффектом шнека. Нерадиационный процесс рекомбинации шнека может привести к снижению эффективности светодиода, известному как снижение эффективности или плотности тока. Таким образом, светодиоды не могут быть чрезмерно управляемыми, потому что это не только вызовет как тепловое падение, так и падение плотности тока, но и резко сократит срок службы светодиода.
Каталог светильников ФОКУС
Из каких материалов состоит светодиодная лампа?
Всякий раз, когда я обсуждаю плюсы и минусы светодиодов, я часто затрагиваю различные компоненты внутри и их назначение.
Потому что каждый компонент светодиодного светильника играет свою роль, делая его энергоэффективным, долговечным и безопасным. Все они выполняют важную работу по превращению светодиодных технологий в будущее домашнего освещения.
И хотя я написал много руководств о преимуществах светодиодного освещения по сравнению с более старыми технологиями, я не делал полного разбора деталей, используемых в светодиодах.
Итак, давайте сделаем это сейчас.
Наряду со светодиодным чипом, который генерирует свет, светодиоды состоят из крышки колбы, которая действует как линза; радиатор для отвода тепла от диодов; схема с драйвером для управления током; корпус для защиты цепи; и основание для подключения лампы к светильникам.
В этой статье давайте более подробно рассмотрим:
- Компоненты, используемые в светодиодах
- Различаются ли компоненты RGB-диодов
- Из чего сделаны колпаки для светодиодных ламп
Какие компоненты используются в светодиодах?
Светодиодные лампы не очень сложны, но они умны и предлагают много преимуществ по сравнению с более старыми технологиями, такими как лампы накаливания.
Начнем с самого светодиода. Это часть лампы, которая генерирует свет, и она состоит из полупроводников, излучающих свет при прохождении тока.
Лампа может иметь один или несколько диодов, в зависимости от конструкции, но все они будут выполнять одну и ту же работу по излучению света при питании от тока.
Ток должен оставаться постоянным. Слишком большая мощность и диод будет поврежден.
Слишком мало, и свет не будет работать правильно, возможно мигание, что может сильно раздражать.
Это причина, по которой лампы имеют цепь с компонентом, называемым светодиодным драйвером.
Этот драйвер светодиодов состоит из конденсаторов для регулирования потока электричества.
Они преобразуют переменный ток в постоянный ток с более низким напряжением, который требуется диоду, обеспечивая стабильное питание, которое не приведет к перегрузке лампы.
Материнская плата не только выполняет работу драйвера — она также сообщает лампочке, когда включаться и выключаться, и, если ваша лампочка подключена к диммеру, она регулирует яркость диодов.
Эта цепь защищена корпусом. Это средняя часть лампы, между цоколем и крышкой лампы.
Этот корпус обычно имеет алюминиевое покрытие, а металлическая пластина служит радиатором. Это жизненно важная часть, потому что она помогает отводить тепло от диода.
Без хорошего радиатора ваши диоды сгорят гораздо быстрее.
Ток проходит в лампочку через цоколь. Светодиодные лампы имеют широкий выбор цоколей для разных светильников, так что это просто случай, когда вы можете найти то, что вам нужно.
Обычно они изготавливаются из алюминия, так как это легкий и проводящий материал.
Наконец, у вас есть крышка лампы, которая действует как линза.
Он поглощает свет от диодов, а затем излучает его в равной степени, поэтому ваша лампочка выглядит гораздо большим светом, чем просто горящая пара маленьких диодов.
Диоды RGB имеют разные компоненты?
Огни, меняющие цвет, немного отличаются, потому что вам нужны определенные полупроводники для генерации цветного света.
Эти лампочки могут создавать около 16 миллионов цветовых оттенков, но они делают это всего лишь с помощью нескольких компонентов, смешивая свет, как если бы вы рисовали, чтобы создать выбранный оттенок.
Вы, вероятно, встречали аббревиатуру RGB, которая означает «красный, зеленый, синий», и их сочетание даст вам любой желаемый цвет.
Таким образом, RGB-диоды имеют разные компоненты, поскольку полупроводники изготавливаются из разных материалов для получения этих цветов.
Когда через них пропускают ток разной силы, вы получаете нужный оттенок.
Алюминий Фосфид индия галлия (AlGaAs) создает красный, оранжевый и желтый цвета высокой яркости.
Фосфид галлия (GaP), как правило, является вашим «G» RGB — он создает желтые и зеленые оттенки.
Нитрид индия-галлия (InGaN) используется для создания некоторых зеленых, но в основном синих и ультрафиолетовых цветов.
В некоторых светодиодах арсенид алюминия-галлия также используется для красного и инфракрасного цветов.
Из чего сделана крышка светодиодной лампы?
Крышка светодиодной лампы делает гораздо больше, чем барьер для защиты хрупких компонентов внутри. Тем не менее, это одна важная роль, которую он играет.
Во-первых, давайте разберемся с материалом. Со многими светодиодами крышка будет из прочного пластика.
Однако, если вы покупаете прозрачную светодиодную лампу, она все же может быть сделана из стекла — прозрачные светодиоды очень стильны, и стеклянная отделка играет определенную роль.
Другие используют сверхпрочную эпоксидную смолу. Однако, как правило, материал гораздо менее подвержен разрушению, чем старые лампы.
Из любого материала крышка может быть прозрачной или матовой. При матировании крышка также действует как диффузор.
Это означает, что он преломляет свет, генерируемый диодами, в разных направлениях, поэтому вместо маленькой точки или нескольких точек света внутри крышки вы получаете один последовательный равномерный свет.
И последнее, на что стоит обратить внимание, это цвет обложки. Обычно это простой белый цвет, но крышки светодиодных ламп могут быть окрашены в другой оттенок.
Это не так часто встречается в большинстве лампочек для дома, но светодиоды имеют множество применений.
Да, вы можете добиться того же эффекта с помощью диодов RGB внутри белой крышки, но это означает дополнительную плату за освещение RGB и необходимость каждый раз устанавливать нужный цвет.
Если для лампы требуется одноцветность, дешевле и проще использовать цветную крышку с простым белым диодом внутри.
Вы даже можете сами покрасить крышку лампы.
Заключительные слова
Это полное описание компонентов светодиодной лампы, материалов, из которых они сделаны, и того, почему все они важны.
Вы всегда должны покупать светодиодные лампы у известных брендов, потому что очень легко сократить расходы на некоторые из этих внутренних компонентов.
Недорогие драйверы светодиодов неэффективны при регулировании тока, поэтому диоды могут быстрее сгореть. В то же время дешевые радиаторы не отводят достаточно тепла.
По возможности не покупайте в Китае, так как часто производство там не регулируется, и хотя цены очень привлекательны, вы можете не получить безопасную лампочку для использования.
Небольшая доплата за лампу, изготовленную из высококачественных компонентов, гарантирует, что вы сможете пользоваться всеми преимуществами долговечности светодиодов.
Ищете светодиодную лампу, но не знаете, какой тип вам нужен?Воспользуйтесь моим бесплатным выбором лампочек и выберите нужную лампочку за несколько кликов.
ИСПОЛЬЗОВАТЬ ЛАМПОЧКУ
Что такое светодиод | Color Kinetics
Reflect
Правительственный центр Стивена П. Кларка
Майами, Флорида, США
Световые решения All Color Kinetics основаны на светодиодной технологии. Почему?
Потому что светодиодные световые решения отличаются высокой эффективностью, долговечностью, экологичностью и по своей природе управляемостью, что позволяет создавать удивительные творческие решения для освещения по всему миру. Вот почему профессионалы в области освещения используют наши светодиодные светильники для широкого спектра внутренних и наружных применений, используя удивительную гибкость светодиодной технологии для изучения новых возможностей и реализации своих творческих замыслов.
Более пристальный взгляд на светодиоды
Если мы посмотрим на технологию, лежащую в основе светодиодного освещения, мы поймем, почему она такая долговечная, надежная и гибкая. Светодиод имеет простую и прочную конструкцию. Прелесть этой конструкции в том, что она разработана так, чтобы быть универсальной, что позволяет собирать ее в самые разные формы. Светоизлучающий полупроводниковый материал определяет цвет светодиода, поэтому количество цветов бесконечно.
Как следует из его полного названия — Light Emitting Diode — светодиод представляет собой диод, который излучает свет. Диод — это устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Почти любые два проводящих материала образуют диод при контакте друг с другом — с одним полупроводниковым переходом p-n между ними. Для создания светодиода материал n-типа заряжается отрицательно, а материал p-типа заряжается положительно. Атомы в материале n-типа имеют дополнительные электроны, в то время как атомы в материале p-типа имеют электронные дыры — электроны, отсутствующие в их внешних кольцах.
Подача электрического тока на диод подталкивает атомы обоих материалов к области соединения. Когда они сближаются, атомы n-типа отдают свои дополнительные электроны атомам p-типа, которые их принимают. Когда дополнительные электроны в материале n-типа попадают в отверстия в материале p-типа, они выделяют энергию в виде фотонов — основных единиц электромагнитного излучения.
Все диоды испускают фотоны, но не все диоды излучают свет — только светодиоды. Материал в светодиоде выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов попадала в видимую часть светового спектра. Различные материалы производят фотоны с разными длинами волн, которые выглядят как свет разных цветов.
Светодиодная анатомия
Двумя основными типами светодиодов являются светодиоды индикаторного типа и светодиоды осветительного типа. Светодиоды индикаторного типа обычно представляют собой недорогие маломощные светодиоды, подходящие для использования только в качестве световых индикаторов в панельных дисплеях и электронных устройствах или для подсветки приборов в автомобилях и компьютерах. Светодиоды осветительного типа представляют собой прочные, мощные устройства, способные обеспечивать подсветку. Все светодиоды осветительного типа имеют одинаковую базовую структуру. Они состоят из полупроводниковой микросхемы (или кристалла), подложки, поддерживающей кристалл, контактов для подачи питания, соединительного провода для соединения контактов с кристаллом, радиатора, линзы и внешнего корпуса.
Тип осветителя LED
Как светодиоды излучают разные цвета
Светодиоды излучают разные цвета за счет использования различных материалов, производящих фотоны с разными длинами волн. Эти отдельные длины волн выглядят как свет разных цветов.
В светодиодах используются материалы, способные выдерживать необходимые уровни электричества, тепла и влажности. Красные и желтые светодиоды высокой яркости используют систему материалов из фосфида алюминия, индия, галлия (AlInGaP). Синие, зеленые и голубые светодиоды используют систему нитрида индия-галлия (InGaN).
Вместе AlInGaP и InGaN покрывают почти весь световой спектр с промежутком между зелено-желтым и желтым цветом. Одним из способов достижения большего спектра цветов является смешивание светодиодов разных цветов в одном устройстве.
Сочетание красных, зеленых и синих светодиодов в одном светодиодном устройстве, таком как осветительная арматура или многокристальный светодиод, и управление их относительной интенсивностью позволяет воспроизводить миллионы цветов. Кроме того, сочетание красного, зеленого и синего в равных количествах дает белый свет.
Устройство светодиодного светильника
Для использования в качестве освещения светодиоды должны быть интегрированы в светильники, которые включают оптику, драйверы светодиодов, источники питания и систему управления температурным режимом. Хорошо спроектированные светодиодные светильники объединяют все эти важные компоненты в самом светильнике.
RGB-версия ColorBlast Powercore gen4
Каковы преимущества светодиодов?
Светодиоды предлагают ряд преимуществ профессионалам в области освещения и конечным пользователям систем светодиодного освещения — от творческих личностей до инновационных предприятий и дальновидных городов и стран:
- Высокий уровень яркости и интенсивности высокий световой поток, обеспечивающий яркость белого и цветного света.
- Исключительный диапазон — Цвет, динамический цвет и настраиваемый белый свет Светодиодные светильники могут воспроизводить миллионы цветов или диапазонов цветовой температуры — с предельной точностью — без гелей или фильтров.
- Энергоэффективность — Светодиодное освещение может быть в 5 раз более энергоэффективным, чем лампы накаливания и галогенные источники света, что снижает расходы и снижает воздействие на окружающую среду.
- Требования к низкому напряжению и току — Системы светодиодного освещения обеспечивают простую и гибкую установку и использование.
- Низкое излучаемое тепло — Поскольку светодиоды не излучают инфракрасное излучение, их можно устанавливать в зонах, чувствительных к теплу, рядом с людьми и материалами, а также в небольших помещениях, где накопленное тепло может быть опасным.
- Высокая надежность — светодиоды могут работать при более низких температурах и выдерживать удары и вибрации, что делает их пригодными для использования в экстремальных условиях или в труднодоступных местах. Светодиоды не имеют движущихся частей нитей накала, которые могут сломаться или выйти из строя.
- Отсутствие УФ-лучей или инфракрасного излучения — Поскольку светодиоды не излучают вредных УФ-лучей, которые могут повредить материалы или обесцветить краски и красители, они идеально подходят для использования в розничных магазинах, музеях и художественных галереях.
- Долгий срок службы источника — Срок службы светодиодов значительно выше, чем у обычных источников света, что снижает затраты и снижает неудобства, связанные с техническим обслуживанием и заменой.
- Простое управление — Светодиоды могут управляться цифровым (и автоматическим) образом для максимальной эффективности и гибкости.
Что означают все эти преимущества?
За последнее десятилетие светодиодные технологии быстро развивались по мере роста спроса и инноваций, совершенствовавших методы производства и технологии, связанные со светодиодами. Когда-то скромный светодиод (использовавшийся для световых индикаторов и других скромных приложений) теперь является предпочтительным источником света для громких и крупномасштабных проектов освещения. И сегодняшние профессионалы в области освещения исследуют замечательные новые горизонты, открытые светодиодным освещением и Color Kinetics.
Посетите витрину светодиодного освещения , чтобы увидеть сотни других установок, от небольших до сложных, в которых используются многочисленные преимущества светодиодного освещения.
Эмпайр Стейт Билдинг
Нью-Йорк, Нью-Йорк, США
В авангарде инноваций светодиодного освещения
Светодиодные светильники Color Kinetics теперь освещают самые знаменитые здания, мосты и другие достопримечательности, а также розничные магазины, телестудии, театры и театры. концертные площадки, отели, казино, больницы, рестораны, ночные клубы, заполненные знаменитостями, и многое другое. И мы предоставляем все сопутствующие решения и технологии, которые позволяют и оптимизируют инновационное светодиодное освещение — от управления температурой, объединения, оптики и согласованности цвета до высокоэффективных драйверов светодиодов и усовершенствованных компонентов питания.
Основы светоизлучающих диодов
| Типы светодиодов, цвета и области применения
Светоизлучающий диод или просто светодиод является одним из наиболее часто используемых источников света в наши дни. Будь то фары вашего автомобиля (или дневные ходовые огни) или освещение гостиной вашего дома, применение светодиодов бесчисленно.
В отличие от (почти) устаревших ламп накаливания, для работы светодиодов (и люминесцентных ламп) требуется специальная схема. Их просто называют светодиодными драйверами (или балластом в случае люминесцентных ламп).
Поскольку светодиоды неизбежны в нашей жизни, интересующимся людям (инженерам, разработчикам драйверов и т. д.) рекомендуется ознакомиться с основами светоизлучающих диодов. Эта статья составлена как краткое руководство по светодиодам, которое включает в себя краткое введение, электрические символы светодиодов, типы, конструкцию, характеристики, драйверы светодиодов и многое другое.
ПРИМЕЧАНИЕ: Существует упрощенная версия этой статьи «Светодиод — светоизлучающий диод», в которой дается более простой обзор светодиода, не вдаваясь в технические подробности.
Краткое описание
Введение
Двумя наиболее важными полупроводниковыми источниками 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 являются наиболее распространенным выдающимся источником света, доступным в электронных компонентах. Например, они широко используются для отображения времени и многих других типов данных на экранах некоторых устройств отображения. Светодиоды — это опто-полупроводниковые устройства, которые легко преобразуют электрический ток в освещение (или свет). Площадь светодиода обычно очень мала, и при разработке его диаграммы направленности можно использовать множество встроенных оптических компонентов. Его основное преимущество заключается в низкой стоимости производства и более длительном сроке 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, говорят, что соединение имеет прямое смещение, что позволяет электрическому току течь через диод. Основные и неосновные носители заряда со стороны P и со стороны 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, что напоминает цвет светодиода. Цветовой спектр излучения светодиодов обычно чрезвычайно узок.
В общем случае его можно определить как определенный диапазон длин волн в электромагнитном спектре. Выбор цвета излучения светодиода довольно ограничен из-за природы полупроводника, используемого при его производстве. Обычно доступные цвета светодиодов: красный, зеленый, синий, желтый, янтарный и белый.
Свет красного, синего и зеленого цветов можно легко комбинировать для получения белого света с ограниченной яркостью. Рабочее напряжение красного, зеленого, янтарного 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 света, излучаемого светодиодом, определяется полупроводниковыми материалами, образующими PN-переход диода.
Это связано с различиями в структуре запрещенной зоны полупроводниковых материалов, поэтому испускается разное количество фотонов 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 вывод в пределах видимого диапазона.
Свет может производиться и управляться электронными средствами несколькими способами. В светоизлучающих диодах свет создается за счет электролюминесценции, которая представляет собой твердотельный процесс. При определенных специфических условиях получения света твердотельные процедуры могут давать когерентный свет, как и в лазерных диодах.
Типы светодиодов
Светоизлучающие диоды можно разделить на две основные категории светодиодов. Это
- Видимые светодиоды
- 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 их светоотдачей. Он определяется как отношение светового потока к подводимой к диоду электрической мощности и может быть выражен в люменах на ватт. Световой поток представляет собой реакцию глаза на различные длины волн света.
Конструкция светодиода
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 корпусом из твердой и пластичной эпоксидной смолы полусферической формы, который защищает светодиод от атмосферных помех, вибраций и теплового удара. PN-переход формируется с использованием материалов с самой низкой 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 большого количества света, поэтому корпус из эпоксидной смолы сконструирован таким образом, что фотоны света, испускаемые переходом, отражаются от окружающего основания подложки и фокусируются через куполообразную верхнюю часть светодиод, который сам действует как линза, концентрирующая большее количество света.
Именно поэтому излучаемый свет кажется наиболее 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 с использованием алюминия на стороне P и алюминиевого олова на стороне N соответственно.
Светодиоды предназначены для того, чтобы большая часть рекомбинации носителей заряда происходила на поверхности PN-перехода следующими путями.
- При увеличении концентрации легирования подложки дополнительные электроны неосновных носителей заряда перемещаются в верхнюю часть структуры, рекомбинируют и излучают свет на поверхности светодиода.
- Увеличивая диффузионную длину носителей заряда, т. е. L = √ Dτ, где D — коэффициент диффузии, τ — время жизни носителей заряда. При превышении критического значения будет вероятность повторного поглощения испущенных фотонов устройством.
Когда диод подключен в прямом направлении, носители заряда приобретают достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьерный потенциал, существующий на PN-переходе. Всякий раз, 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 как излучательной, так и безызлучательной. При излучательной рекомбинации излучается свет, а при безызлучательной рекомбинации выделяется тепло.
Органические светоизлучающие диоды (OLED)
В органических светоизлучающих диодах сложный полупроводниковый материал, используемый при разработке светодиодов, является органическим по своей природе. Органический полупроводниковый материал является электропроводным в некоторой части или во всей молекуле за счет сопряженного электрона; в результате это органический полупроводник. Материал может находиться в кристаллической фазе или полимерных молекулах. Он имеет преимущество в тонкой структуре, меньшей стоимости, низком напряжении для вождения, отличной диаграмме направленности, высокой яркости, максимальной контрастности и интенсивности.
Цвета светоизлучающих диодов
В отличие от обычных полупроводниковых, сигнальных диодов, которые используются для коммутационных цепей, выпрямителей и схем силовой электроники, изготовленных из кремниевых или германиевых полупроводниковых материалов, светоизлучающие диоды изготавливаются из составных полупроводниковых материалов, таких как Арсенид галлия, фосфид арсенида галлия, карбид кремния и нитрид галлия-индия смешиваются вместе в различных соотношениях для получения уникальной отличительной длины волны цвета.
Различные полупроводниковые соединения излучают свет в определенных областях спектра видимого света, поэтому они производят свет с разной интенсивностью. 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 направлении, перпендикулярном излучающей поверхности. Угол излучения света зависит от излучаемого цвета и обычно колеблется от 80° до 110°.
Арсенид галлия | |||
Арсенид галлия алюминия | |||
Алюминий Арсенид галлия | |||
Арсенид галлия фосфид | |||
Алюминий Галлий Фосфид индия | |||
Фосфид галлия | |||
Фосфид арсенида галлия | |||
Алюминий Галлий Фосфид индия | |||
Фосфид галлия | |||
Фосфид арсенида галлия | |||
Алюминий Галлий Фосфид индия | |||
Фосфид галлия | |||
Фосфид галлия-индия | |||
Алюминий Галлий Фосфид индия | |||
Фосфид галлия алюминия | |||
Индий Галлий Нитрид | |||
Селенид цинка | |||
Индий Галлий Нитрид | |||
Карбид кремния | |||
Кремний | |||
Индий-галлий Нитрид | |||
Два синих/красных светодиода | |||
Синий с красным люминофором | |||
Белый с фиолетовым пластиком | |||
Алмаз | |||
Нитрид бора | |||
Нитрид алюминия | |||
Алюминий Нитрид галлия | |||
Алюминий галлий Нитрид индия | |||
Синий с люминофором | |||
Желтый с красным, оранжевым или розовым люминофором | |||
Белый с розовым пигментом | |||
Синий/УФ-диод с желтым люминофором |
Цвет света, излучаемого светодиодом, не определяется цветом пластикового корпуса, в котором находится светодиод. Оболочка используется как для усиления светового излучения, так и для обозначения его цвета, когда он не питается от источника питания. В последние годы также доступны синие и белые светодиоды, но они дороже, чем обычные стандартные цветные светодиоды, из-за производственных затрат на смешивание двух или более дополнительных цветов в точном соотношении в полупроводниковом соединении.
Общие характеристики источников света
Зависимость тока возбуждения от светоотдачи
При высоких значениях прямого тока возбуждения температура PN-перехода полупроводника увеличивается из-за значительного рассеивания мощности. Такой тип повышения температуры на переходе приводит к снижению эффективности излучательной рекомбинации. В результате плотность тока еще больше увеличивается; внутреннее последовательное сопротивление будет иметь тенденцию снижать светоизлучающую эффективность любого источника света.
Квантовая эффективность
Квантовая эффективность любого источника света определяется как отношение скорости излучательной рекомбинации, которая излучает свет, к общей скорости рекомбинации и определяется как:
η=Rr/Rt
Скорость переключения
Скорость переключения источника света похожа на то, как быстро источник света может включаться и выключаться при подаче электропитания для создания соответствующей картины оптического выхода. Светодиоды имеют меньшую скорость переключения, чем обычные ЛАЗЕРНЫЕ диоды.
Длина волны спектра
Пиковая длина волны спектра определяется как длина волны, при которой генерируется максимальная интенсивность света. Он определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого в производстве светодиодов.
Ширина спектра
Ширина спектра источника света определяется как диапазон длин волн, в котором источник света излучает свет. Источник света должен излучать свет в пределах более узкой ширины спектра.
ВАХ светодиода
Прежде чем излучать свет от любого светоизлучающего диода, через него должен протекать ток, поскольку светодиод является устройством, зависящим от тока, интенсивность его выходного света прямо пропорциональна прямому току, проходящему через светодиод.
Светоизлучающий диод должен быть подключен в комбинации с прямым смещением к источнику питания, и его ток должен быть ограничен с помощью последовательно включенного резистора для защиты от избыточного тока. Светодиод не следует подключать напрямую к аккумулятору или источнику питания, поскольку через него будет протекать избыточный ток, что может привести к повреждению светодиода.
Каждый светодиод имеет собственное индивидуальное прямое падение напряжения вдоль PN-перехода, и этот параметр определяется полупроводниковым материалом, используемым при производстве светодиода, для определенного значения прямого тока проводимости, обычно для прямого тока около 20 мА.
При низких прямых напряжениях управляющий ток диода определяется током безызлучательной рекомбинации из-за рекомбинации носителей заряда по длине светодиодного чипа. При более высоких прямых напряжениях в токе возбуждения диода преобладает ток радиационной диффузии.
Даже при больших напряжениях, чем обычно, ток диода ограничивается последовательным сопротивлением. Диод никогда не должен достигать обратного напряжения пробоя в течение короткого промежутка времени, так как это может привести к необратимому повреждению диода. На рисунке ниже показаны вольт-амперные характеристики светодиодов разного цвета.
Расчет сопротивления серии светодиодов
Светоизлучающий диод хорошо работает, когда он соединен последовательно с сопротивлением, в результате чего прямой ток, необходимый для светодиода, обеспечивается напряжением питания в комбинации. Значение сопротивления последовательно включенного резистора можно рассчитать по приведенной ниже формуле. Обычно прямой ток обычного светодиода считается равным 20 мА.
Многоцветный светоизлучающий диод
На рынке представлено большое количество светодиодов различных форм и размеров, цветов и интенсивности светового потока. Арсенид-фосфид галлия Светодиод красного цвета диаметром 5 мм является наиболее часто используемым светодиодом и очень дешев в производстве. 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 разновидность светодиодов, аналогичную одноцветным светодиодам, только с дополнительным светодиодным чипом, входящим в комплект поставки. Двухцветные светодиоды могут иметь два или три контакта для подключения; это зависит от используемого метода. Как правило, два светодиодных вывода соединены в обратно-параллельной комбинации. Анод одного светодиода подключается к катоду другого светодиода и наоборот. При подаче питания на любой из анодов будет светиться только один светодиод. Мы также можем включить оба светодиода одновременно с динамическим переключением на высокой скорости.
Трехцветный светоизлучающий диод
Обычно трехвыводной светодиод имеет общий катодный вывод, в котором два других светодиодных чипа соединены внутри. Должен гореть либо один, либо два светодиода, необходимо общий катод соединить с землей. Токоограничивающие резисторы подключены к обоим анодам для индивидуального управления током.
Для одноцветной или двухцветной светодиодной подсветки необходимо подключить питание к любому из анодов по отдельности или одновременно. Эти трехцветные светодиоды состоят из отдельных КРАСНЫХ и ЗЕЛЕНЫХ светодиодных чипов, подключенных к одному и тому же катоду. Этот тип диодов генерирует дополнительные оттенки основных цветов путем включения двух светодиодов с разным соотношением прямого тока.
Схемы драйверов светодиодов
Интегральные схемы либо комбинационные схемы, либо последовательные схемы могут использоваться для управления светоизлучающими диодами. Светоизлучающие диоды можно включать и выключать с помощью интегральных схем. Выходные каскады логических элементов TTL или CMOS могут использоваться для управления светодиодами в качестве переключателей в двух режимах конфигурации. Это режимы источника и приемника конфигурации.
Выходной ток, выдаваемый интегральными схемами в конфигурации с режимом приемника, может составлять около 50 мА, а в конфигурации с режимом истока прямой ток может составлять около 30 мА. Однако ток, управляемый светодиодом, должен быть ограничен резистором, включенным последовательно.
Управление светодиодом с помощью транзистора
Вместо использования интегральных схем для управления светодиодами можно использовать дискретные компоненты, такие как биполярные транзисторы PNP и NPN. Дискретные компоненты могут использоваться для управления более чем одним светодиодом, как в больших структурах массива светодиодов.
В меньшем количестве приложений используется только один светодиод. Транзисторы-переходники используются для подачи тока через несколько светоизлучающих диодов таким образом, что прямой ток, создаваемый светодиодом, составляет около 10–20 мА. Если для управления светодиодом используется NPN-транзистор, то последовательный резистор действует как источник тока. Если для управления светодиодами используется PNP-транзистор, то последовательный резистор действует как приемник тока.
Для таких применений, как подсветка экрана, уличное освещение или замена люминесцентной лампы или лампы накаливания, в большинстве случаев требуется более одного светодиода. Как правило, параллельное включение нескольких одиночных светодиодов приводит к неравномерному распределению тока между светодиодами; даже в этом случае все светодиоды рассчитаны на одинаковое прямое падение напряжения.
Если один светодиод не может управлять последовательно включенными светодиодами, это можно решить, установив параллельные стабилитроны или кремниевые управляемые выпрямители (SCR) для каждого последовательно включенного светодиода. SCR — разумный выбор, потому что они рассеивают меньше энергии, если им приходится работать вокруг неисправного светодиода.
В случае параллельной комбинации включение отдельного драйвера для каждой строки обходится 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, яркостью света можно управлять. Если через диод пропускается большое количество тока, светодиод светится намного лучше обычного.
Если ток превышает максимальное значение, интенсивность света увеличивается еще больше, что приводит к рассеиванию тепла светодиодом. Ограничение прямого тока, установленное для проектирования светодиодов, составляет от 10 до 40 мА. Когда требуемый ток очень мал, могут быть шансы выключить светодиод.
В таких случаях для управления яркостью света и током, потребляемым светодиодом, 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 выдачи необходимого количества мощности используются ШИМ-драйверы, так как они вообще не выдают мощность.
Прежде всего, чтобы подавать импульсы ШИМ в цепи светодиодов, сначала требуется генератор ШИМ. Существует разное количество генераторов ШИМ.
Дисплеи светодиодные
Одноцветные, двухцветные, многоцветные и некоторые другие Светодиоды объединены в одну упаковку. Их можно использовать в качестве задней подсветки, полос и гистограмм. Одним из основных требований к цифровым устройствам отображения является визуальный цифровой дисплей. Обычный пример такого единого пакета из нескольких светодиодов можно увидеть в 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 представлена в виде цифровых данных, состоящих из цифр, букв, символов, а также буквенно-цифровых символов. Семисегментный дисплей обычно имеет восемь комбинаций входных соединений, по одной для каждого светодиода, а оставшаяся одна является общей точкой соединения для всех внутренних светодиодов.
Если катоды всех светодиодов соединить вместе и подать логический ВЫСОКИЙ сигнал, то загорятся отдельные сегменты. Таким же образом, если аноды всех светодиодов соединить вместе и подать логический НИЗКИЙ сигнал, тогда загорятся отдельные сегменты.
Преимущества, недостатки и области применения светодиодов
Преимущества
- Маленький размер кристалла и низкая стоимость
- Долгий срок службы
- Высокая энергоэффективность
- Низкотемпературный
- Гибкость дизайна
- Много цветов
- Экологичный
- Высокая скорость переключения
- Высокая сила света
- Предназначен для фокусировки света в определенном направлении
- Меньше подвержен повреждениям
- Меньше излучаемого тепла
- Более устойчив к тепловому удару и вибрации
- Отсутствие УФ-лучей
Недостатки
- Зависимость выходной мощности излучения и длины волны светодиода от температуры окружающей среды.
- Чувствительность к повреждениям из-за избыточного напряжения и/или избыточного тока.
- Теоретическая общая эффективность достигается только в особых холодных или импульсных условиях.
Применение
- В автомобилях и велосипедных фонарях
- В светофоре Указатели, знаки и сигналы
- В платах отображения данных
- В медицинских целях и игрушках
- Невизуальные приложения
- В лампочках и многом другом
- Пульты дистанционного управления
Как работает светодиод » Electronics Notes
Используемые полупроводниковые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.
Учебное пособие по светоизлучающим диодам Включает:
Светоизлучающий диод
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
Светодиодная технология считается само собой разумеющейся, поскольку светодиоды широко используются. Однако технология и используемые материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.
Хотя базовый узел PN использовался уже много лет, только в 1962, что светодиод был разработан и начали понимать его действие.
Светодиод, символ цепи светодиодаСветодиодная технология: как работает светодиод
Светодиод представляет собой специальную форму 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, изготовленные из этих материалов, не излучают свет. Вместо этого составные полупроводники, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, являются составными полупроводниками, и соединения, сделанные из этих материалов, действительно излучают свет.
Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые они занимают. Для арсенида галлия галлий имеет валентность три, а мышьяк — валентность пять, и это то, что называется полупроводником группы III-V, и есть ряд других полупроводников, которые соответствуют этой категории. Также возможны полупроводники, изготовленные из материалов группы III-V.
Как работает светоизлучающий диодСветодиод излучает свет, когда он смещен в прямом направлении. Когда к переходу прикладывается напряжение, чтобы сделать его смещенным в прямом направлении, ток течет, как и 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 обеспечить протекание тока. Когда это происходит, высвобождается энергия, часть которой находится в виде световых фотонов.
Обнаружено, что большая часть света производится из области перехода ближе к области Р-типа. В результате конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область находится как можно ближе к поверхности устройства, чтобы обеспечить поглощение структурой минимального количества света.
Для получения видимого света необходимо оптимизировать соединение и выбрать правильные материалы. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Чтобы перевести световое излучение в видимый красный конец спектра, в полупроводник добавляют алюминий, чтобы получить алюминий-галлиевый арсенид (AlGaAs). Фосфор также может быть добавлен, чтобы дать 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 основаны на полупроводниках галлия.
Светодиодные материалы и световые цвета
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) Алюминий арсенид галлия (AlGaAs) |
Другие электронные компоненты:
Резисторы
конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
Транзистор
Фототранзистор
полевой транзистор
Типы памяти
Тиристор
Соединители
ВЧ-разъемы
Клапаны/трубки
Батареи
Переключатели
Реле
Технология поверхностного монтажа
Вернуться в меню «Компоненты». . .
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 легкий. 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 применены. Другими словами, светодиод представляет собой оптический полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в Световая энергия.
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 условие. 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 р-не 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
A 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 истощения
область, присутствующая между полупроводником p-типа и n-типа
где отсутствуют подвижные носители заряда (свободные электроны и дырки). подарок. 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 p-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 символ.
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 размещенный 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 на основе 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
- 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.
- Светодиоды потребляют мало энергии. Светодиоды
- очень дешевы и легко доступны. Светодиоды
- имеют малый вес.
- Меньший размер. Светодиоды
- имеют более длительный срок службы. Светодиоды
- работают очень быстро. Их можно включать и выключать в очень меньше времени. Светодиоды
- не содержат токсичных материалов, таких как ртуть, которая используется в люминесцентных лампах. Светодиоды
- могут излучать разные цвета света.
Недостатки светодиодов
- светодиодов нужно больше мощности для работы, чем у обычных диодов с p-n переходом.
- Низкая светоотдача светодиодов.
Приложения светодиодов
Различные области применения светодиодов:
- Системы охранной сигнализации
- Калькуляторы
- Фотофоны
- Светофоры
- Цифровые компьютеры
- Мультиметры
- Микропроцессоры
- Цифровые часы
- Автомобильные тепловые лампы
- Вспышки камеры
- Авиационное освещение
Типы диодов
различные типы диодов:
- Стабилитрон диод
- Лавинный диод
- Фотодиод
- Свет Излучающий диод
- Лазер диод
- Туннель диод
- Шоттки диод
- Варактор диод
- П-Н переходной диод
Что такое светодиод? | Все о светодиодах
Что такое светодиод?
Сохранить Подписаться
Пожалуйста, войдите, чтобы подписаться на это руководство.
После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.
Кто не любит светодиоды? Они бывают яркими и мерцающими или мягкими и элегантными. Они праздничные! Они красочные! Они везде и это очень весело. Мы любим светодиоды, когда пишем учебники, потому что большая часть хакерских операций с электроникой скрыта в чипах или работает очень быстро, и мы не можем увидеть или почувствовать это без дорогого оборудования. Но светодиоды легко увидеть всем — так мы можем визуально определить, что происходит внутри нашего микроконтроллера.
Начнем с урока анатомии… Части светодиода!
Светодиодынастолько распространены, что бывают десятков различных форм и размеров. Светодиоды, которые вы, скорее всего, будете использовать, — это светодиоды со сквозным отверстием с двумя ножками. Есть много светодиодов, которые маленькие и их трудно паять, но их легко использовать с макетной платой, потому что они имеют длинные провода, которые мы можем вставить. происходит волшебство). На самом деле, первые две буквы числа LED означает Light Emitting.
Что действительно хорошо в светодиодах, так это то, что они очень просты. В отличие от некоторых чипов, которые имеют десятки контактов с названиями и специальными назначениями, светодиоды имеют только два провода. Один провод — это анод (положительный), а другой — катод (отрицательный). Два провода имеют разные имена, потому что светодиоды работают только в одном направлении, и нам нужно отслеживать, какой контакт какой. Один идет к положительному напряжению, а другой идет к отрицательному напряжению. Электронные детали, которые работают только в «одном направлении», называются 9.0011 Диоды , вот что означает последняя буква LED .
- Более длинный провод идет к более положительному напряжению
- Ток идет в одном направлении, от анода (положительный) к катоду (отрицательный)
- Светодиоды, расположенные «наоборот», не будут работать, но и не сломаются
Все это немного запутанно — нам часто приходится думать, что есть что. Поэтому, чтобы упростить задачу, вам нужно помнить только одну вещь: светодиод не загорится, если вы вставите его задом наперед. Если у вас когда-нибудь возникнут проблемы со светодиодами, когда они не будут светиться, просто переверните их. Очень сложно повредить светодиод, вставив его задом наперед, так что не бойтесь, если вы это сделаете
Если это поможет, вернитесь к этим фотографиям и схемам или распечатайте их для справки
Все разные размеры и цвета
5мм светодиоды! Зеленый, красный, синий (в прозрачном корпусе) и инфракрасный (в синеватом корпусе)
Одна из лучших особенностей современных светодиодов — это все цвета, которые они бывают. Раньше светодиоды были только красными или, может быть, желтыми. и оранжевый, поэтому в ранней электронике 70-х и 80-х годов были только красные светодиоды. Цвет, излучаемый светодиодом, зависит от типа материала, из которого он изготовлен. Например, красный цвет получают из арсенида галлия. С тех пор ученые экспериментировали со многими другими материалами и выяснили, как получить другие цвета, такие как зеленый и синий, а также фиолетовый и белый. (Вы можете увидеть обширную таблицу всех различных материалов, используемых для изготовления светодиодов, на странице в Википедии)
Когда мы впервые начали производить электронику в конце 90-х, мы купили несколько синих светодиодов диаметром 5 мм по 3 долларов за штуку . Теперь вы можете легко получить дюжину светодиодов по этой цене. Жизнь хороша!
Светодиодытакже бывают разных размеров. Вот фотография, показывающая светодиод 3 мм , 5 мм и 10 мм . размер «миллиметр» относится к диаметру светодиода. Например, если вам нужно просверлить отверстие в коробке для мигающего светодиода диаметром 5 мм, размер отверстия должен быть 5 мм, и для его изготовления вам понадобится сверло диаметром 5 мм. 5 мм — самый распространенный размер, который вы увидите, и они могут быть очень яркими!
Зеленый 3 мм, красный 5 мм и белый 10 мм светодиоды
- 5 мм светодиоды могут быть такими яркими, что они часто используются в качестве подсветки (освещение чего-либо, например, фонарика, мы поговорим об этом далее).