Принципи за получаване на зелени светодиоди. Принципът на работа на светодиода: ярък, ултра-ярък, бял, SMD

От откриването на червения светодиод (1962 г.) развитието на твърдотелните източници на светлина не е спирало нито за миг. Всяко десетилетие беше белязано от научни постижения и разкри нови хоризонти пред учените. През 1993 г., когато японски учени успяха да получат синя и след това бяла светлина, развитието на светодиодите премина на ново ниво. Физиците по света са изправени пред нова задача, чиято същност е да използват led осветлениекато основен.

В наше време могат да се направят първите изводи, показващи успеха на развитието на LED осветлението и продължаващата модернизация на LED. На рафтовете на магазините се появиха осветителни тела със светодиоди, произведени по технология COB, COG, SMD, нишка.

Как е всеки изброени видове, и какви физически процеси принуждават полупроводниковия кристал да свети?

Устройство, дизайн и технологични разлики

Има много признаци, по които светодиодите могат да бъдат класифицирани в групи. Една от тях е технологичната разлика и малката разлика в устройството, която се дължи на особеностите на електрическите параметри и бъдещото приложение на светодиода.

DIP

Цилиндричен пакет от епоксидна смола с два проводника беше първата конструкция за кристал, излъчващ светлина. Заоблен цветен или прозрачен цилиндър служи като леща, образувайки насочен лъч светлина. Изводите се вкарват в отвори печатна електронна платка(DIP) и чрез запояване осигуряват електрически контакт.

Излъчващият кристал е разположен върху катода, който има формата на флагче и е свързан с анода с най-тънката жица. Има модели с два и три кристала в различни цветове в една опаковка с брой щифтове от два до четири. Освен това в кутията може да бъде вграден микрочип, който контролира реда на светене на кристалите или задава чистотата на мигането му. Светодиодите в DIP корпус са слаботокови, използвани в подсветка, системи за индикация и гирлянди.

В опит за увеличаване на светлинния поток се появи аналог с подобрено устройство в DIP корпус с четири извода, известен като "пираня". Увеличеният светлинен поток обаче беше компенсиран от размера на светодиода и силното нагряване на кристала, което ограничи обхвата на "пиранята". И с навлизането на SMD технологията тяхното производство на практика е спряно.

smd

Полупроводниковите устройства за повърхностен монтаж са фундаментално различни от своите предшественици. Появата им разшири възможностите за проектиране на осветителни системи, направи възможно намаляването на размерите на лампата и напълно автоматизира инсталацията. Днес SMD LED е най-търсеният компонент, използван за изграждане на източници на светлина от всякакъв формат.

Основата на кутията, върху която е закрепен кристалът, е добър проводник на топлина, което значително подобрява отвеждането на топлината от светоизлъчващия кристал. В устройството на белите светодиоди има фосфорен слой между полупроводника и лещата, за да зададе желаната цветова температура и да неутрализира ултравиолетовото лъчение. В SMD компонентите с широк ъгъл на излъчване няма леща, а самият светодиод има формата на паралелепипед.

COB

Chip-On-Board е едно от най-новите практически постижения, което ще заеме водеща роля в производството на бели светодиоди в изкуственото осветление в близко бъдеще. Отличителна черта на LED устройството е, както следва: десетки кристали без корпус и субстрат са прикрепени към алуминиева основа (субстрат) чрез диелектрично лепило, след което получената матрица е покрита с общ слой фосфор. Резултатът е източник на светлина с равномерно разпределение. светлинен потокза да предотвратите появата на сенки.

Вариант на COB е Chip-On-Glass (COG), който включва поставянето на много малки кристали върху стъклена повърхност. По-специално, широко известно е, че стъклена пръчка със светодиоди, покрити с фосфор, служи като излъчващ елемент.

Принципът на работа на светодиода

Въпреки разгледаните технологични характеристики, работата на всички светодиоди се основава на общ принципдействието на излъчващия елемент. Преобразуването на електрически ток в светлинен поток се извършва в кристал, който се състои от полупроводници с различен типпроводимост. Материал с n-проводимост се получава чрез легиране с електрони, а материал с p-проводимост - с дупки. По този начин в съседни слоеве се създават допълнителни носители на заряд с противоположна посока.

В момента, в който се приложи напрежението напред, започва движението на електрони и дупки към p-n прехода. Заредените частици преодоляват бариерата и започват да се рекомбинират, което води до електричество. Процесът на рекомбинация на дупка и електрон в зоната на p-n-прехода е придружен от освобождаване на енергия под формата на фотон.

Като цяло това физическо явление е приложимо за всички полупроводникови диоди. Но в повечето случаи дължината на вълната на фотона е извън видимия спектър на радиация. За да накарат елементарна частица да се движи в диапазона 400-700 nm, учените трябваше да проведат много експерименти с избора на подходящи химически елементи. В резултат на това се появиха нови съединения: галиев арсенид, галиев фосфид и техните по-сложни форми, всяка от които се характеризира със собствена дължина на вълната, а оттам и цвета на излъчването.

В допълнение към полезната светлина, излъчвана от светодиода, на p-n прехода се отделя известно количество топлина, което намалява ефективността на полупроводниковото устройство. Следователно, в дизайна мощни светодиодиТрябва да се обърне внимание на възможността за ефективно разсейване на топлината.

Прочетете също

LED или LED лампае електронно устройство с размер около половината от кибрит. Светодиодът е проектиран като нормален електрическа лампа, за осветяване на околното пространство през нощта и на недостъпни за светлина места. Как работи светодиодът и на какъв принцип е подреден ще бъде обсъдено допълнително в тази статия.

По дефиниция електрическият ток е насочен поток от електрони. Принципът на действие на светодиода е, че когато постоянен електрически ток преминава през полупроводника, част от електроните изскачат към p-n преходот потока върху една LED плоча, се сблъсква с електроните на друга плоча, избива ги от клетките им, в резултат на което, казано научен език, се образуват "дупки". Поради хаотичното движение на електроните и сблъсъка им един с друг се освобождава енергия и се появява блясък.

В началото на изобретяването на светодиода светенето беше само синьо, но с развитието и усъвършенстването на технологията за масово производство на светодиоди, електронните инженери успяха да получат всички цветове от светлинния спектър. Важен принцип при използването на LED лампи е фактът, че това микроскопично устройство осветява много околното пространство по-добри лампилампи с нажежаема жичка, флуоресцентни и халогенни лампи във всички цветове на дъгата без използването на обемисти светлинни филтри и в същото време светодиодите никога не изгарят.

Защо светодиодите са в голямо търсене при използването им като осветлениена места с ограничено пространство - всеки разбира, тъй като други източници на светлина просто няма да преминат през размерите.

Това е основната им разлика от лампите с нажежаема жичка, флуоресцентни и газоразрядни лампи. Когато през светодиода преминава електрически ток, това полупроводниково устройство излъчва некохерентно или "студено" излъчване. За да подобрите работата на LED лампите, използвайте най-новите технологииполучаване на полупроводници от отглеждане на кристали от сапфирен камък. В тези работи се използват най-прецизните методи за рязане на камък и полирането му. Плочите от галиев нитрид се приготвят по същия начин. Вътре се поставят проводници за преминаване на електрически ток и устройството се сглобява.


Работата на светодиода не е придружена от шум или топлина. В днешно време се научихме да правим LED лампи с различни мощности, форми и цветове.

Дизайнът и типът на светодиода непрекъснато се подобряват. С напредването на технологиите промишлено производствоСветодиодите, появата на нови надеждни материали и сплави, тяхното производство и внедряване в различни области на потребление се развиват и подобряват.

Предимствата на светодиодите пред други видове лампи са очевидни и неоспорими:

  1. Придава хладен блясък. Не нагрявайте близките електрически уреди.
  2. Те са малки, компактни и леки. Не се чупят при транспортиране и при падане от високо. Те не изгарят.
  3. Няма нужда от обемисти филтри и защитни капачки. Могат да работят и да осветяват улиците при дъжд и градушка.
  4. Имат красив дизайн и малки размери.
  5. Дълъг период на експлоатация. Те могат да работят 20 години или повече.
  6. Ниска консумация на енергия - 10 пъти по-малко от обикновена лампа с нажежаема жичка.
  7. Природосъобразен. Те нямат газове и живачни пари вътре.
  8. Устойчив на пожар и експлозия.

Основният недостатък е високата цена. Цената на 1 лумен LED светлина е 10 пъти по-висока от лампите с нажежаема жичка, поради което LED лампите все още не могат да ги заменят.

Светодиодите намират своето приложение в най-широките области на индустрията. Много самолети TU-134 и TU-154 са оборудвани със светодиодни устройства, те са инсталирани на кораби и подводници. Особено широко светодиодите се използват върху рекламни табели, банери, за празнични илюминации, нощно осветление на къщи, входове. Наскоро японската корпорация "Мазда" демонстрира своя разработка на лек автомобил със задни светлини, който използва принципа на LED. Има LED фарове за автомобили, плафониери за парково осветление, подсветки опънати таванив интериора на апартаменти и къщи. Принципът на работа на LED лампите се развива, подобрява и в близко бъдеще това устройство ще замени обичайната лампа с нажежаема жичка и ще я замени завинаги!


Светодиод(Английски светоизлъчващ диод или LED) е електронно устройство, направено на базата на полупроводник (в повечето случаи легиран силиций или германий), чийто принцип на действие се основава на еднопосочна проводимост с освобождаване на светлинно лъчение .

LED устройство

Като всеки полупроводник, светодиодът е съединение от полупроводников кристал p-тип(легиран с тривалентен материал - например In) с полупроводников кристал n-тип(легиран с петвалентен материал - като As), който образува п-нпреход.

Кристал p-типима свойството "дупкова" проводимост - носителите на заряд в такива кристали са положително заредени участъци от ковалентните връзки на кристала, в които липсват електрони (фиг. 1).

Фигура 1. Проводимост на дупки на полупроводник

Кристал n-типима електронна проводимост - носителите на заряд в такива кристали са отрицателно заредени свободни електрони (фиг. 2).


Фигура 2. Електронна проводимост на полупроводник

При свързване на кристал p-типс кристал n-типв зоната на техния контакт се образува п-n преход, който има свойството на бариерен слой (фиг. 3).
В зоната на контактната точка на два полупроводника н- тип и стр-тип, възниква процес на дифузия: дупки от стр-области отиват към н-област, а електроните, напротив, от н-области в стр-регион. В резултат на това в н-област в зоната на бариерния слой, концентрацията на електрони намалява, което е съпроводено с появата на положително зареден слой. AT стр- област, се наблюдава намаляване на концентрацията на дупки и се появява отрицателно зареден слой. По този начин в областта на контакт на полупроводниците се образува двоен електрически слой, чието поле предотвратява процеса на дифузия на електрони и дупки един към друг (фиг. 3).



Фигура 3. Блокиращ слой p–n преход

В случай на връзка н–стр-преход към външен източник на ток, така че положителният му полюс да бъде свързан към стр-област, а отрицателни с н- площ, тогава индикаторът за силата на електрическото поле в блокиращия слой ще намалее и ще улесни прехода на основните токови носители през контактния слой. В резултат на това дупки стр-области и електрони от н- зоните ще се движат една към друга, пресичайки се н–стр-преход, който ще доведе до създаване на ток в права посока (фиг. 4).



Фигура 4. Прилагане на напрежение към p–n преход

Също така, в точката на контакт на два полупроводника (p - n преход), когато се приложи електричество, електроните се рекомбинират с дупки и енергията се освобождава под формата на фотони от светлина (фиг. 5).



Фигура 5. Освобождаване на енергия под формата на фотони от светлина

За разлика от обикновения диод, светодиодът има голяма контактна площ в точката на контакт на два полупроводника. Поради това зоната на рекомбинация е по-голяма и следователно светенето е по-интензивно. Въпреки това, не всеки p-n преход е способен да освобождава енергия под формата на фотони във видимия светлинен спектър. Това зависи от забранената зона, енергията на преодоляване на която трябва да бъде съизмерима с енергията на кванта от спектъра на видимата светлина.

LED цвят на светлината

Цветовият спектър на излъчване на светодиодите зависи единствено от забранената лента на p-n прехода. Именно тук се извършва рекомбинацията на електрони и "дупки", с освобождаване на фотони от светлина. По този начин, физически, цветът на LED светлината зависи от материала на полупроводника и от неговите добавки. Колкото „по-синя“ е светлината на светодиода, толкова по-висока е енергията на квантите за преодоляване на забранената лента на p-n прехода, което означава, че колкото по-голяма трябва да бъде забранената лента. От това следва, че чрез промяна на забранената лента на p-n прехода е възможно да се получи блясък от всеки цвят на дъгата. И за да получите бяло, трябва да комбинирате получените цветове.

Начини за получаване на бели светодиоди

Използват се три често срещани метода за получаване на бял светодиод:
1) Смесване на светещи цветове по RGB технология (фиг. 6). Методът се състои в това, че червени, сини и зелени светодиоди са плътно разположени върху една подложка, чието излъчване се смесва благодарение на оптична система, като пластмасова леща. Резултатът е бяла светлина.



Фигура 6. RGB LED технология за производство

2) На базата на три светодиода, които излъчват ултравиолетова светлина. След това върху повърхността на всеки от светодиодите се нанася покритие от син, зелен и червен фосфор. Така луминофорът започва да свети в три цвята, а когато това сияние се смеси с леща, се получава бял цвят.
3) За основа се взема син светодиод, върху повърхността му се нанася зелен и червен (може би жълто-зелен) фосфор. Така се получава бял или близък до бял блясък.



Фигура 7. Технология на производство на светодиоди с фосфорно покритие

Всеки метод за получаване на бял блясък има своите предимства и недостатъци.
И така, RGB технологията, в допълнение към всичко, ви позволява да промените цвета и температурата на светене на светодиодите, като промените силата на тока на всеки от тях. В допълнение, концентрираното разположение на три светодиода в матрицата ви позволява да получите висок общ светлинен поток и светлинна мощност. Тази система обаче не може да осигури еднаквост на блясъка на цялото светлинно петно, тъй като блясъкът в центъра на системата ще бъде по-ярък, отколкото в краищата. Това се дължи на явлението аберация на оптичната система.
Производството на светодиоди с помощта на фосфор е много по-евтино от RGB технологията. Недостатъкът на тази система обаче е бързото стареене на луминофора (много по-бързо от LED чипа) и трудността при равномерно нанасяне на луминофора върху повърхността на LED чипа.

Електрически характеристики на светодиодите

LED е полупроводниково устройство с ниско напрежение, консумиращо енергия. Обхватът на мощността на конвенционалните индикаторни светодиоди варира от 2 до 4 волта с консумация на ток до 50 mA. Светодиодите, предназначени за осветяване на помещения, се захранват от същото напрежение, но консумацията на ток на такива устройства е много по-висока и може да достигне няколко ампера. Понякога светодиодните модули, състоящи се от отделни светодиоди, се свързват последователно, което увеличава общото им захранващо напрежение.
Но в допълнение към факта, че захранващото напрежение на светодиодите е ниско, то също трябва да бъде стабилизирано. Това се дължи на факта, че захранващото напрежение на светодиода експоненциално зависи от консумацията на ток (фиг. 8). При малко увеличение на напрежението консумацията на ток се увеличава многократно, което може да доведе до прегряване на устройството и неговата повреда. Следователно, за да се стабилизира захранващото напрежение на светодиода, се използват преобразуватели или драйвери (предназначени да стабилизират тока).



Фигура 8. Волт-амперна характеристика на светодиодите

Регулиране на яркостта на светодиодите

Много често има нужда от промяна на яркостта на светодиода. Това действие никога не трябва да се извършва чрез понижаване на захранващото напрежение на светодиода. Това се прави с помощта на техниката на модулация на ширината на импулса (PWM). Този метод се състои в производството на устройство, което е импулсно модулиран генератор на ток с честота на изходния сигнал от стотици до хиляди херца, с възможност за промяна на ширината на импулсите и паузите между тях. По този начин, използвайки това устройство, средната яркост на захранвания светодиод става контролируема, докато светодиодът не изгасва.

Срок на експлоатация на LED

Срокът на експлоатация на светодиодите зависи основно от режима на тяхната работа. Ако това е индикаторен диод с ниска мощност, тогава неговият експлоатационен живот е много дълъг. Това се дължи на факта, че токът, протичащ през него, е малък и не загрява физически сдвоения pn преход. Мощните светодиоди са проектирани за експлоатационен живот от 20-50 хиляди часа. Поради големите захранващи токове, p-n преходът е много горещ, атомната решетка на кристалите се разхлабва, разрушавайки целостта на p-n прехода. Така остаряването на светодиодите в крайния резултат се изразява в намаляване на яркостта им. Така че, ако яркостта на светодиода намалее с 30% от първоначалната си яркост, тогава той трябва да бъде сменен.

Устройствата за осветление със светодиоди през последните години вървят победоносно. На рафтовете на магазините голям избор от китайски LED фенерчета, на цена не много по-висока от себестойността на включените в тях батерии, които светят по-силно и по-дълго от събратята си с крушки вътре. Поради какво светодиодът беше в такава печеливша позиция?

За тези, които не са наясно: светодиодът е полупроводниково устройство, в което електрическият ток се преобразува директно в светлинно излъчване. Диод - тоест, той може да пропуска ток само в една посока (вижте статията Как работи диодът) Между другото, на английски светодиодът се нарича светодиод, излъчващ светлина, или LED.

Светодиодът се състои от полупроводников кристал върху непроводим субстрат, корпус с контактни проводници и оптична система. За да се подобри издръжливостта, пространството между кристала и пластмасовата леща е запълнено с прозрачен силикон. Алуминиевата основа служи за отвеждане на излишната топлина. Което, трябва да кажа, изобщо не се откроява голям брой.


Светенето в полупроводников кристал възниква от рекомбинацията на електрони и дупки в областта на p-n прехода. Областта на p-n прехода се образува от контакта на два полупроводника с различен тип проводимост. За да направите това, близките контактни слоеве на полупроводников кристал се легират с различни примеси: от едната страна, акцептор, от друга, донор.

За да може p-n преходът да излъчва светлина, забранената лента в активната област на светодиода трябва да бъде близка до енергията на квантовете на видимата светлина. Второ, полупроводниковият кристал трябва да съдържа малко дефекти, поради които рекомбинацията протича без радиация. За да се изпълнят и двете условия, често едно pn преход в кристал не е достатъчно и производителите са принудени да произвеждат многослойни полупроводникови структури, така наречените хетероструктури.

Очевидно колкото повече ток преминава през светодиода, толкова по-ярко свети, защото толкова повече по-актуален, толкова повече електрони и дупки влизат в зоната на рекомбинация за единица време. Въпреки това, поради вътрешното съпротивление на полупроводника и p-n прехода, диодът се нагрява и може да изгори при голям ток - проводниците ще се стопят или самият полупроводник ще изгори.

За разлика от лампите с нажежаема жичка, електрическият ток в светодиодите се преобразува директно в светлинно излъчване с малка загуба на топлина. В резултат на това светодиодите са няколко порядъка по-икономични и незаменими в тези устройства, където отоплението е неприемливо. Характеристика на светодиода е излъчването в тясна част от спектъра. За това той се влюбва в дизайнери за производство на светлинна реклама и интериорна декорация. UV и IR радиацията, като правило, липсват в светодиодите. Светодиодът има висока механична якост и надеждност. Животът на светодиодите достига 100 000 часа, което е почти 100 пъти повече от тази на крушка с нажежаема жичка и 5 до 10 пъти повече от флуоресцентна лампа. И накрая, светодиодът е електрически уред с ниско напрежение и следователно е безопасен.

Единственият недостатък на технологията е високата цена. В момента цената на един лумен, излъчван от светодиод, е 100 пъти по-висока от лумена, излъчван от лампа с нажежаема жичка. Производителите обаче прогнозират намаляване на този показател през следващите години с 10 пъти.

Светодиодите на базата на фосфид и галиев арсенид, излъчващи в жълто-зелената, жълтата и червената област на спектъра, са разработени още през 60-те - 70-те години на миналия век. Използвани са в светлинни индикатори, табла, табла за управлениеавтомобили и самолети, рекламни екрани, различни системи за визуализация на информация. По отношение на светлинната мощност светодиодите изпревариха конвенционалните лампи с нажежаема жичка. По отношение на издръжливост, надеждност, безопасност те също ги надминаха. Дълго време нямаше сини, синьо-зелени и бели светодиоди. Цветът на светодиода зависи от забранената лента, в която електроните и дупките се рекомбинират, тоест от полупроводниковия материал и добавките. Колкото "по-син" е светодиодът, толкова по-висока е квантовата енергия и следователно толкова по-голяма трябва да бъде ширината на лентата.

Сините диоди, излъчващи светлина, успяха да бъдат направени на базата на полупроводници с широка запрещена лента - силициев карбид, съединения на елементи от II и IV групи или нитриди елементи IIIгрупи. Въпреки това, базираните на SiC светодиоди се оказаха с твърде ниска ефективност и нисък квантов добив на радиация (т.е. броят на излъчените фотони на рекомбинирана двойка). Светодиодите, базирани на твърди разтвори на цинков селенид ZnSe, имаха по-висок квантов добив, но прегряваха поради голяма устойчивости бяха краткотрайни. Първият син светодиод е произведен на базата на филми от галиев нитрид върху сапфирена (!) подложка.

Квантовият добив е броят на излъчените светлинни кванти на рекомбинирана двойка електрон-дупка. Правете разлика между вътрешен и външен квантов добив. Вътрешният е в самия p-n преход, външният е за устройството като цяло (в края на краищата светлината може да се загуби „по пътя“ - абсорбирана, разпръсната). Вътрешната квантова ефективност за добри кристали с добро разсейване на топлината достига почти 100%, външният рекорд за квантова ефективност за червените светодиоди е 55%, а за сините - 35%. Външната квантова ефективност е една от основните характеристики на LED.

Бяла светлинаи от светодиоди може да се получи по няколко начина. Първият е смесването на цветове с помощта на RGB технология. Червени, сини и зелени светодиоди са плътно разположени върху една матрица, чието излъчване се смесва с помощта на оптична система, като леща. Резултатът е бяла светлина. Вторият метод е, че върху повърхността на светодиод, излъчващ в ултравиолетовия диапазон (има и такива), се нанасят три луминофора, излъчващи съответно синя, зелена и червена светлина. На принципа на флуоресцентна лампа. Третият начин е, когато върху син светодиод се нанесе жълто-зелен или зелено-червен луминофор. В този случай две или три лъчения се смесват, образувайки бяла или близка до бялата светлина.

Всеки метод има своите предимства и недостатъци. RGB технологията по принцип позволява не само да се получи бял цвят, но и да се движи през цветната диаграма, когато токът се променя чрез различни светодиоди. Получава се цял осветителен комплекс, който може да се управлява ръчно или чрез програма. Такива ефекти се използват широко от дизайнери и производители на гирлянди за коледни елхи и подобни устройства. В допълнение, голям брой светодиоди в матрицата осигуряват висок общ светлинен поток и голям аксиален интензитет на светлината. Недостатъкът на системата е неравномерният цвят в центъра на светлинното петно ​​и по краищата. В допълнение, поради неравномерното отделяне на топлина от краищата на матрицата и от нейната среда, светодиодите се нагряват по различен начин и съответно цветът им се променя по време на стареене по различни начини - общата цветова температура и цветът "плават" по време на работа. Това неприятно явление се компенсира доста трудно и скъпо. Белите светодиоди с фосфор са значително по-евтини от RGB LED матриците (по отношение на единица светлинен поток) и ви позволяват да получите добър бял цвят. Техните недостатъци: първо, те имат по-малка светлинна мощност от RGB матриците поради преобразуване на светлината във фосфорния слой; второ, доста трудно е точно да се контролира равномерността на отлагането на фосфор в технологичния процес и, следователно, цветната температура; и накрая, трето, фосфорът също остарява и то по-бързо от самия светодиод.

Индустрията произвежда както светодиоди с фосфор, така и RGB матрици - те имат различни приложения. Един конвенционален светодиод, използван за индикация, консумира от 2 до 4 V постоянно напрежениепри ток до 50 mA. Един светодиод, който се използва за осветление, черпи същото напрежение, но токът е по-висок - от няколкостотин mA до 1A в проект. В LED модул отделните светодиоди могат да бъдат свързани последователно и общото напрежение е по-високо (обикновено 12 или 24 V).

При свързване на светодиода трябва да се спазва полярността, в противен случай устройството може да се повреди. Пробивното напрежение обикновено е над 5 V за един светодиод. Яркостта на светодиода се характеризира със светлинния поток и аксиалния интензитет на светлината, както и модела на насоченост. Съществуващите светодиоди с различни дизайни излъчват плътен ъгълот 4 до 140 градуса. Цветът, както обикновено, се определя от координатите на цветността и цветна температура, както и дължината на вълната на радиацията.

Яркостта на светодиодите се регулира не чрез намаляване на захранващото напрежение, а чрез така наречения метод на широчинно-импулсна модулация (PWM). Това изисква специален контролен блок. Методът PWM се състои в това, че към светодиода не се подава постоянен, а импулсно модулиран ток, а честотата на сигнала трябва да бъде стотици или хиляди херца, а ширината на импулсите и паузите между тях могат да се променят. Средната яркост на светодиода става контролируема, докато светодиодът не изгасва.

Светодиодите са доста издръжливи, но животът на светодиодите с висока мощност е по-кратък от този на сигналните с ниска мощност. В момента обаче е 20 - 50 хиляди часа. Стареенето се изразява предимно в намаляване на яркостта и в промяна на цвета.

Емисионният спектър на светодиода е близък до монохроматичен, което е основната му разлика от спектъра на слънцето или лампата с нажежаема жичка. Никога не са провеждани сериозни проучвания за ефекта на такова осветление върху зрението.

Светодиодът е вид диод, електронно устройство, което провежда електрически ток в една посока. Диод, или както го наричат ​​още токоизправителен диод, имащ своите уникални свойства да се променя електрическо съпротивлениев зависимост от полярността на приложеното към него напрежение се използват за изправяне променлив ток. Дизайнът на токоизправителния диод може да бъде изграден както на базата на електронни тръби, така и на базата на полупроводникови кристали.

За разлика от токоизправителния диод, светодиодът се прави само на базата на полупроводникови кристали. Принципът на действие и на двете електронни устройства се основава на инжектиране (дифузия) на електрони и дупки в региона стр-нпреход, тоест зоната на контакт на два полупроводника с различни видове проводимост. Под инжектиране се разбира преходът на излишните електрони от региона н- тип в областта стр-тип, както и прехода на излишни дупки от обл стр- тип в областта н-тип, където има дефицит. В резултат на инжектирането и в двете области, близо до границата на прехода, се образуват некомпенсирани слоеве от електрони и дупки. на страната н-преходен слой от дупки, а отстрани стр-преходен слой от електрони. Тези слоеве образуват така наречения бариерен слой, вътрешният електрическо полекоето предотвратява по-нататъшно инжектиране (Фигура 1).

Фигура 1. Блокиращ слой стр-нпреход

Има известен баланс. Когато се приложи отрицателно напрежение към областта на кристала с проводимост н-тип и положително напрежение към зоната на кристала с проводимост стр-тип, под действието на външно електрическо поле, насочено срещу блокиращото поле, се отваря път за основните носители през стр-нпреход. Бариерният слой изтънява и устойчивостта му намалява. Има масивно движение на свободни електрони от н-области в стр- площ и дупки навън стр-области в н-регион. Във веригата се появява електрически ток (Фигура 2).


Фигура 2. Превключване напред

Ако се приложи обратно напрежение, бариерният слой става по-дебел и електрическото съпротивление се увеличава значително. Практически няма електрически ток, когато се приложи обратното напрежение (Фигура 3).


Фигура 3. Включване на заден ход

Трябва да се помни, че допустимата стойност на обратното напрежение за светодиоди, при която не настъпва разпадането му, е много по-ниска от тази на токоизправителните диоди. Често тази стойност е равна на максималната стойност на напрежението в права посока. Следователно включването на светодиода в електрическа веригапроменлив ток, не трябва да забравяме за амплитудната стойност на напрежението. За синусоидално напрежение с честота 50 Hz неговата амплитудна стойност е 1,41 пъти по-голяма от текущата. Такива включвания се използват рядко, тъй като целта на светодиода е да „блести“, а не да „изправя“. Обикновено светодиодът се включва при постоянно напрежение.

Видео 1. Полупроводници

Когато свободните електрони преминават през стр-нпреходните електрони и дупките излъчват фотони поради преминаването им от едно енергийно ниво към друго. Не всички полупроводникови материали ефективно излъчват светлина при инжектиране. Например, диоди от силиций, германий, силициев карбид практически не излъчват светлина. А диодите, направени от галиев арсенид или цинков сулфид, имат най-добра излъчвателна способност.

Излъчената светлина не е кохерентна и е в тесен спектър. В тази връзка всеки светодиод има свой собствен спектър от вълни със собствена дължина и честота, които могат или не могат да бъдат видими за човешкото око. Като пример за използването на светодиоди с невидим спектър на излъчване можем да цитираме светодиодите, използвани в конзолите. дистанционновсяко съвременно радиоелектронно оборудване. За да видите радиацията, вземете дистанционното и каквото и да е клетъчен телефонпритежаващ фото-видео камера. Поставете телефона си в режим на видео, насочете обектива на камерата към предния край на дистанционното и натиснете който и да е бутон на дистанционното. В същото време ще наблюдавате светенето на светодиода на екрана на телефона.

Емисионният спектър зависи от химичен съставполупроводников кристал. Всеки спектър на радиация има свой собствен цвят. Следователно светодиодите, излъчващи светлина във видимия за човешкото око спектър, се възприемат като многоцветни, червени, зелени, сини.

Светенето на твърд диод е открито за първи път от британския експериментатор Хенри Раунд. През 1907 г., докато провеждат своите изследователска работатой случайно забеляза, че се появи блясък около точковия контакт на работещ диоден детектор. Той обаче не направи заключение за практическото приложение на това явление.

Няколко години по-късно, през 1922 г., Олег Владимирович Лосев по време на нощните си радиочасове, точно като Хенри Раунд, случайно започна да наблюдава появяващото се сияние на кристален детектор. За да получи стабилно сияние на кристала, той приложи напрежение от галванична батерия към точковия контакт на диодния детектор и по този начин прекара електрически ток през него. Това беше първият опит да се намери практическо приложение за работата на светодиода.

През 1951 г. в САЩ започва изследователска работа по разработването на "полупроводникови електрически крушки", чиято работа се основава на "ефекта на Лосев". През 1961 г. инфрачервената LED технология е открита и патентована от Робърт Баярд и Гари Питман. Година по-късно, през 1962 г., Ник Холоняк, работещ за General Electric Company, произвежда първия в света червен светодиод, работещ в светлинния диапазон, и впоследствие намира първото практическо приложение. Имаше ниска енергийна ефективност, консумираше сравнително голям ток, но в същото време имаше слабо сияние. Въпреки това технологията се оказа обещаваща и беше доразвита.

Следващата стъпка в развитието на LED технологията беше изобретяването на жълтия светодиод. Бивш ученик на Ник Холоняк, Джордж Крафорд, през 1972 г., заедно с изобретяването на жълтия светодиод, увеличи яркостта на червените и червено-оранжевите светодиоди с 10 пъти. Почти едновременно с тези изобретения в началото на 70-те години са получени зелени светодиоди. Те намериха своето приложение в калкулатори, часовници, електронни устройства, светлинни индикатори и светофари. Значително увеличение на светлинния поток, до 1 лумен (lm), червени, жълти и зелени светодиоди може да бъде постигнато едва през 1990 г.

През 1993 г. японският инженер на Nichia, Шуджи Накамура, успя да получи първия светодиод с висока яркост, който излъчва Син цвят. Това изобретение е революция в развитието на LED технологията, тъй като светодиодите са получени в три основни цвята, червен, зелен и син. От този момент нататък беше възможно да се получи блясък от всякакъв цвят, включително бяло.

През 1996 г. се появяват първите бели светодиоди. Те се състояха от два светодиода - син и ултравиолетов с фосфорно покритие.

До 2011 г. бяха изградени дизайни на бели светодиоди, които осигуряваха светлинна мощност до 210 Lm / W. Как учените и инженерите постигнаха такъв успех? За да направите това, помислете за известните в момента методи за получаване на бели светодиоди.

Известно е, че всички цветове и нюанси са съставени от три основни цвята - червено, зелено, синьо. Бялата светлина не е изключение. Има четири варианта за получаване на радиация с бели светодиоди (Фигура 4).


Фигура 4. Получаване на светодиоди, излъчващи бяла светлина

Първият вариант е да използвате три отделни светодиода в LED дизайна. стр-нпреходи, излъчващи червена, зелена и синя светлина. С тази опция, за всеки стр-нПреходът изисква собствено захранване. Чрез регулиране на напрежението на всеки стр-нпреход постигане на създаване на бял блясък със собствен нюанс (цветна температура).

Втората опция - с тази опция в дизайна се използва един светодиод стр-нпреход от синьо сияние, покрит с жълт или жълто-зелен фосфор. Тази опция се използва най-често, тъй като за работата на светодиода е необходим един източник на захранване. Въпреки това, цветовите характеристики на този светодиод са по-ниски от характеристиките на светодиодите, получени по други методи.

Тук също се използва третият вариант - един стр-нпреход от синьо сияние, но покрит със слоеве фосфор от два цвята - червен и зелен. LED дизайните, произведени по този метод, позволяват получаване на по-добри цветови характеристики.

Четвъртият вариант - дизайнът на светодиода в този вариант се основава на ултравиолетов светодиод, покрит с три слоя фосфор червен, зелен и син. Конструкциите на такива светодиоди са най-неикономичните, тъй като преобразуването на късовълнови ултравиолетови лъчи в дълговълнови видими лъчи и в трите слоя на фосфора е съпроводено със загуби на енергия.

Светлинна мощност над ярки светодиодибяло при 210 lm/W засега е постигнато само в лабораторни условия. Максималната светлинна мощност на ярките светодиоди, налични за обща употреба, не надвишава 120 Lm/W. Такива светодиоди са много скъпи и рядко се използват. По-голямата част от светодиодите имат светлинна мощност от 60 - 95 Lm / W.

Светлинната мощност на светодиода, както и всеки друг източник на светлина, работещ под въздействието на електрическа енергиязависи от количеството ток, преминаващ през него. Колкото по-голям е токът, толкова по-голям е светлинният поток. Но както всеки друг източник на светлина, повечето отенергията се превръща в топлина. Нагряването на светодиодите е придружено от спад в тяхната светлинна мощност. В тази връзка производителите са принудени да използват масивни метални кутии за охлаждане на кристала и разсейване на генерираната топлина в околен свят. Такива мерки позволяват леко да се повиши ефективността на използването му.

Ако сравним енергийната ефективност на различните източници на светлина, се оказва, че светодиодите с ефективност 40 - 45% са най-икономични. Например крачетата с нажежаема жичка имат ефективност, равна на 2 - 5%, - 15 - 25%, - 24 - 30%.

Режимът на работа на светодиода, когато кристалът има температура, близка до стайната, несъмнено има положителен ефект върху експлоатационния му живот. В такива режими на работа светодиодът може да работи до 50 000 часа без загуба на светлинна мощност. Ако целта е да се увеличи светлинната мощност чрез увеличаване на тока, това само по себе си се отразява неблагоприятно на експлоатационния му живот. На първо място, към края на експлоатационния живот светлинният поток намалява значително. Падането става плавно и достига 70% от първоначалната стойност. Второ, вероятността от пълния му отказ се увеличава.

Този факт предполага, че при избора на тела и лампи при разработването на проекти за осветление е необходимо всеки път да се преценява кое е по-изгодно от икономическа гледна точка.

Препоръчваме за четене