Из чего состоит светодиод – Светодиоды. Характеристики. Достоинства и недостатки.

Содержание

Светодиод

1. Что такое светодиод?Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.2. Из чего состоит светодиод?Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

3. Как работает светодиод?Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими. Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

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

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии. В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета. К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

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

10. Что такое квантовый выход светодиода?Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

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

12. Какой из трех способов лучше?У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А 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 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения. Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод. Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?Как видно из рисунка, 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.

типичная вольт-амперная характеристика светодиода

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

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

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

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют. Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

Физика процесса электролюминесценции

Зеленая электролюминесценция на кристалле, наблюдаемая в экспериментах H. J. Round’s в 1907.

Вольт-амперная (V-I) характеристика светоизлучающего диода СИД.

Зонная диаграмма поясняющая принцип работы светоизлучающего диода СИД.

Светоизлучающий диод СИД, как и обычный диод, состоит из кристалла полупроводникового материала легированного различными примесями для создания P/N перехода. Как и в обычном диоде, в светоизлучающем диоде ток протекает через переход между полупроводником P-типа, или анодом и полупроводником N-типа — катодом, но не в обратном, а в прямом направлении.

Одним из параметров P/N перехода является ширина запрещённой зоны (ширина энергетического зазора между валентной зоной и зоной проводимости). В случае рекомбинации электрона и дырки, электрон попадает с более высокого энергетического уровня на более низкий, при этом электрон отдаёт часть своей энергии, которая излучается в виде фотона. Длина волны света испускаемого от светодиодных (СИД) излучателей определяется физическими параметрами P/N перехода используемых полупроводниковых материалов.

Коэффициент полезного действия (КПД) светодиода

Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной работы к

затраченной энергии. КПД является безразмерной величиной и часто

измеряется в процентах.

Применительно к источникам света КПД характеризует, какая часть

затраченной электрической энергии преобразуется в видимый свет.

Существует мнение, что КПД светодиода близок к 100%, то есть, вся

приложенная к светодиоду энергия преобразуется в свет. Скорее всего, это

относится к КПД по КВАНТОВОМУ ВЫХОДУ, то есть, каждый элементарный

носитель заряда, электрон, введенный извне в светодиод, вызывает

излучение фотона (кванта световой энергии). Другими словами, 1 электрон

в идеальном случае вызывает излучение 1 фотона. Есть сообщения, что

ученые уже разработали белый светодиод с КПД по квантовому выходу почти

100%.

Что же касается ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КПД, или соотношения Ватта полученной

световой энергии к Ватту затраченной электроэнергии, то это соотношение

весьма далеко от 100%. Потому что прежде чем электрон инициирует

излучение фотона, он успевает затратить часть своей энергии (а

следовательно и знергии источника питания) на нагрев среды, в которой он

перемещается.

Поэтому светодиоды тоже греются, то есть, часть энергии тратится

попусту, на нагрев окружающей среды: нам нужен свет, а мы получаем и

свет и тепло.

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

studfiles.net

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.

Не следует беспокоиться при ошибке в полярности подключения. Со светодиодом ничего не случиться, просто он не будет светиться. За исключением особого случая, когда вы подали очень большое напряжение.

Помимо простых светодиодов, существуют также RGB-светодиоды, которые могут отображать любой цвет, основанный на системе RGB. Светодиод RGB можно представить в виде отдельных трех светодиодов в одном корпусе: красный (R), зеленый (G), синий (B). Изменяя интенсивность свечения каждого из них, мы можем получить любой цвет.

У RGB светодиодов есть четыре вывода для подключения — по одному для каждого цвета (три вывода) и один для плюса (общий анод) или минуса (общий катод) питания.

Если у вас RGB светодиод с общим катодом, то схема подключения будет следующей:

Здесь мы видим, что три вывода подключаются через резисторы к источнику питания или к микроконтроллеру (например, Arduino), а четвертый вывод к минусу питания.

Если же у вас RGB светодиод с общим анодом, то схема подключения будет следующей:

Следует обратить внимание, что нужно подключать сопротивления к каждому цвету, поскольку светодиоды работают с меньшим напряжением, чем выход микроконтроллера. Обычно для светодиода красного цвета достаточно резистора сопротивлением 150-180 Ом и 75-100 Ом для зеленого и синего цвета.

Если у вас нет именно этих сопротивлений, то используйте большее сопротивление (это верно во всех случаях, когда сопротивление используется для защиты от перенапряжения — мы выбираем меньше напряжения, в пользу сохранения светодиода).

www.joyta.ru

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:

Индикаторные – маломощные светодиоды используются как индикаторы в различных приборах (см. рис. сверху).

Осветительные – более мощные светодиоды, используются в осветительных приборах.

Типы осветительных диодов:

  • SMD.
  • HP – высокой яркости.
  • HP – высокой мощности.

Устройство осветительного светодиода.

Светодиод: принцип действия.

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

led-lampu.ru

Кто изобрел светодиод и как он работает

Интересные факты о светодиодах


Светодиод изобрел Олег Лосев

Олег Лосев

Содержание

Интересные факты о светодиодах

• Светодиод изобрел Олег Лосев
• Как устроен светодиод
• Срок службы светодиодов
   Средний срок службы
   Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы?
• Светодиоды греются
   Как реагирует светодиод на нагрев

Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радио-лаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.

Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие «Losev Licht», как назвали эффект в Германии, где Лосев публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.

В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

Светодиод (англ. light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.

Значит, прежде всего, нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

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

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

Как устроен светодиод

Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:

  •     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.


Кроме светодиодов лампового типа (3, 5, 10 мм, их форма действительно напоминает миниатюрную лампочку с двумя выводами), в последнее время все большее распространение получают SMD — светодиоды. Они совершенно иной конструкции, отвечающей требованиям технологии автоматического монтажа на поверхность печатной платы (surface mounted devices – SMD).

А сверхяркие светодиоды такого типа называются эммитеррами (emitter, англ. «излучатель»).

SMD светодиоды имеют более компактные размеры, допускают автоматическую расстановку и пайку на поверхность платы без ручной сборки. Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет, при ультракомпактных размерах.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком (Люмены) и осевой силой света (Кандела), а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучающих в телесном угле от 4 до 140 градусов.

Цвет, как обычно, определяется координатами цветности, цветовой температурой белого света (Кельвин), а также длиной волны излучения (нанометры).

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности (характеристика «Люмен/Ватт»).

Также интересной характеристикой оказывается цена одного люмена ($/Люмен).

Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происходит при их изготовлении. В партии поставки на современном производстве отбираются близкие по спектру излучения кристаллы.

Широкий диапазон оптических характеристик, миниатюрные размеры и гибкие возможности по дискретному управлению обеспечили применение светодиодов для создания самых различных световых приборов и изделий. Светодиод излучает в узкой части спектра, на определенной длине волны его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры.

Срок службы светодиодов

Основная характеристика надежности светодиодов – срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Срок службы отражает эти факты: различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока прибор не выйдет из строя).

Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.

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

Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм», рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм», но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного охлаждения (монтаж на MCPCB плату (печатная плата на металлической основе) и радиатор).

Средний срок службы


5 мм -LED и SMD-LED:

• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч.
• синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч.
• красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.

HI-POWER LED от 1 Вт и выше:

• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч.
• синий, зеленый до 80000 ч.
• красный, желтый до 80000 ч.


Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы?

К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой диода белого цвета является структура InGaN, излучающая на длине волны 470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.

Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 — 80000 часов. Много это или мало?

50000 часов — это:

    24 часа в день 5.7 лет
    18 часов в день 7.4 лет
    12 часов в день 11.4 лет
    8 часов в день 17.1 лет

 

Светодиоды греются

Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет, если теплоотвода нет?

Светодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED, тем больше тепла. Конечно, индикаторные светодиоды, например, датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.

И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод.

 

Как реагирует светодиод на нагрев

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

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у красных и желтых светодиодов, и меньше у зеленых, синих и белых.

Источник: сайт НПО РоСАТ