Principi per ottenere LED verdi. Principio di funzionamento del LED: luminoso, ultraluminoso, bianco, SMD

Dalla scoperta del LED rosso (1962), lo sviluppo delle sorgenti luminose a stato solido non si è fermato un attimo. Ogni decennio è stato caratterizzato da risultati scientifici e ha aperto nuovi orizzonti agli scienziati. Nel 1993, quando gli scienziati giapponesi riuscirono a ottenere la luce blu e poi la luce bianca, lo sviluppo dei LED passò a un nuovo livello. I fisici di tutto il mondo hanno dovuto affrontare un nuovo compito, la cui essenza era l'utilizzo Illuminazione a LED come quello principale.

Oggi possiamo trarre le prime conclusioni che indicano il successo dello sviluppo dell'illuminazione a LED e la continua modernizzazione dei LED. Sugli scaffali dei negozi sono apparse lampade con LED realizzate con tecnologie COB, COG, SMD e filamenti.

Come funziona ciascuno dei tipi elencati e quali processi fisici costringono un cristallo semiconduttore a brillare?

Dispositivo, design e differenze tecnologiche

Esistono molti segni in base ai quali i LED possono essere classificati in gruppi. Uno di questi è la differenza tecnologica e una leggera differenza nel dispositivo, causata dalle peculiarità dei parametri elettrici e dalla portata futura del LED.

IMMERSIONE

Il contenitore cilindrico in resina epossidica con due conduttori è stato il primo progetto di cristallo che emette luce. Un cilindro rotondo, colorato o trasparente, funge da lente e forma un fascio di luce direzionato. I cavi vengono inseriti nei fori circuito stampato(DIP) e mediante saldatura fornire il contatto elettrico.

Il cristallo emittente si trova sul catodo, che ha la forma di una bandiera, ed è collegato all'anodo con un filo molto sottile. Esistono modelli con due e tre cristalli di diversi colori in un unico pacchetto con un numero di perni da due a quattro. Inoltre, all'interno della custodia può essere integrato un microchip che controlla l'ordine in cui i cristalli si illuminano o determina la purezza del loro lampeggiamento. I LED negli alloggiamenti DIP sono a bassa corrente e vengono utilizzati nell'illuminazione, nei sistemi di visualizzazione e nelle ghirlande.

Nel tentativo di aumentare il flusso luminoso, è apparso un analogo con un dispositivo migliorato in un pacchetto DIP a quattro pin, noto come "piranha". Tuttavia, la maggiore emissione luminosa è stata compensata dalle dimensioni del LED e dal forte riscaldamento del cristallo, che hanno limitato il campo di applicazione del “piranha”. E con l'avvento della tecnologia SMD, la loro produzione è praticamente cessata.

SMD

I dispositivi a semiconduttore montati sulla superficie di un circuito stampato sono fondamentalmente diversi dai loro predecessori. Il loro aspetto ha ampliato le possibilità di progettazione dei sistemi di illuminazione, ha permesso di ridurre le dimensioni della lampada e automatizzare completamente l'installazione. Oggi il LED SMD è il componente più utilizzato per costruire sorgenti luminose di qualsiasi formato.

La base dell'alloggiamento su cui è fissato il cristallo è un buon conduttore di calore, che migliora notevolmente la rimozione del calore dal cristallo che emette luce. Nel dispositivo a LED bianco è presente uno strato di fosforo tra il semiconduttore e la lente per impostare la temperatura di colore desiderata e neutralizzare la radiazione ultravioletta. Nei componenti SMD con un ampio angolo di radiazione non è presente alcuna lente e il LED stesso ha la forma di un parallelepipedo.

PANNOCCHIA

Chip-On-Board è una delle ultime realizzazioni pratiche, che nel prossimo futuro assumerà un ruolo guida nella produzione di LED bianchi in illuminazione artificiale. Una caratteristica distintiva del dispositivo LED è la seguente: dozzine di cristalli senza alloggiamento e substrato sono fissati su una base di alluminio (substrato) tramite colla dielettrica, quindi la matrice risultante viene ricoperta con uno strato comune di fosforo. Il risultato è una sorgente luminosa con una distribuzione uniforme flusso luminoso, eliminando la comparsa di ombre.

Una variante del COB è il Chip-On-Glass (COG), che prevede il posizionamento di molti piccoli cristalli su una superficie di vetro. In particolare, sono ampiamente noti in cui l'elemento emettitore è una bacchetta di vetro con LED rivestiti di fosforo.

Principio di funzionamento del LED

Nonostante il considerato caratteristiche tecnologiche su cui si basa il funzionamento di tutti i LED principio generale azione dell'elemento radiante. La conversione della corrente elettrica in flusso luminoso avviene in un cristallo, costituito da semiconduttori con diversi tipi conduttività. Un materiale con conduttività n si ottiene drogandolo con elettroni, mentre un materiale con conduttività p si ottiene drogandolo con lacune. Pertanto, negli strati adiacenti vengono creati ulteriori portatori di carica di direzioni opposte.

Nel momento in cui viene applicata la tensione diretta, inizia il movimento degli elettroni e delle lacune verso la giunzione p-n. Le particelle cariche superano la barriera e iniziano a ricombinarsi, dando luogo a corrente elettrica. Il processo di ricombinazione di una lacuna e di un elettrone nella zona di giunzione pn è accompagnato dal rilascio di energia sotto forma di fotone.

In generale, questo fenomeno fisico si applica a tutti i diodi a semiconduttore. Ma nella maggior parte dei casi, la lunghezza d'onda del fotone è al di fuori dello spettro visibile della radiazione. Per far muovere una particella elementare nell'intervallo 400-700 nm, gli scienziati hanno dovuto condurre molti esperimenti selezionando le particelle adatte elementi chimici. Di conseguenza, sono comparsi nuovi composti: l'arseniuro di gallio, il fosfuro di gallio e le loro forme più complesse, ciascuna delle quali è caratterizzata dalla propria lunghezza d'onda, e quindi dal colore della radiazione.

Oltre alla luce utile emessa dal LED, sulla giunzione p-n viene generata una certa quantità di calore, che riduce l'efficienza del dispositivo a semiconduttore. Pertanto, nella progettazione LED potenti deve essere considerata la possibilità di implementare un'efficiente rimozione del calore.

Dispositivo LED

Come ogni semiconduttore, un LED è un composto di un cristallo semiconduttore tipo p(drogato con materiale trivalente - ad esempio In) con un cristallo semiconduttore n – tipo(drogato con materiale pentavalente - ad esempio As), che forma P -N transizione.

Cristallo tipo p ha la proprietà della conduttività dei "buchi": i portatori di carica in tali cristalli sono sezioni caricate positivamente dei legami covalenti del cristallo, a cui mancano elettroni (Fig. 1).

Figura 1. Conduttività del foro di un semiconduttore

Cristallo n – tipo ha conduttività elettronica: i portatori di carica in tali cristalli sono elettroni liberi caricati negativamente (Fig. 2).

Figura 2. Conduttività elettronica di un semiconduttore

Quando si collega il cristallo tipo p con cristallo n – tipo nell'area del loro contatto si forma P -n transizione, che ha la proprietà di uno strato barriera (Fig. 3).
Nella zona di contatto tra due semiconduttori N-tipo e P-tipo di processo di diffusione si verifica: fori da P-le aree vanno a N-regione, e gli elettroni, al contrario, da N-regioni in P-regione. Di conseguenza, in N-regione nella zona dello strato bloccante, la concentrazione di elettroni diminuisce, il che è accompagnato dalla comparsa di uno strato caricato positivamente. IN P-regione, si osserva una diminuzione della concentrazione delle lacune e appare uno strato carico negativamente. Pertanto, nell'area di contatto del semiconduttore, si forma un doppio strato elettrico, il cui campo impedisce il processo di diffusione di elettroni e lacune l'uno verso l'altro (Fig. 3).

Figura 3. Strato bloccante della giunzione p-n

In caso di connessione N–P-passaggio a una fonte di corrente esterna in modo che il suo polo positivo sia collegato P-area e negativo con N-area, quindi l'indicatore di tensione campo elettrico nello strato barriera diminuirà e faciliterà il passaggio dei principali portatori di corrente attraverso lo strato di contatto. Di conseguenza, buchi da P-regioni ed elettroni da N-le aree si muoveranno l'una verso l'altra, incrociandosi N–P-transizione, che porterà alla creazione di corrente nella direzione in avanti (Fig. 4).

Figura 4. Applicazione della tensione a una giunzione p-n

Inoltre, nel punto di contatto di due semiconduttori (giunzione p-n), quando viene applicata l'elettricità, avviene la ricombinazione degli elettroni con le lacune e l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni di luce (Fig. 5).

Figura 5. Rilascio di energia sotto forma di fotoni di luce

A differenza di un normale diodo, un LED ha un'ampia area di contatto nel punto di contatto tra due semiconduttori. Per questo motivo, l'area di ricombinazione è più ampia e quindi il bagliore è più intenso. Tuttavia, non tutte le giunzioni p-n sono in grado di rilasciare energia sotto forma di fotoni nello spettro della luce visibile. Ciò dipende dall'ampiezza della banda proibita, l'energia per superarla deve essere commisurata all'energia di un quanto dello spettro visibile della luce.

Colore del LED

Lo spettro dei colori dei LED dipende esclusivamente dalla banda proibita della giunzione pn. È qui che gli elettroni e le “buche” si ricombinano, rilasciando fotoni di luce. Pertanto, fisicamente, il colore della luce LED dipende dal materiale semiconduttore e dalle sue impurità droganti. Più “blu” è la luce del LED, maggiore è l’energia dei quanti per superare il gap di banda della giunzione p-n, il che significa che maggiore dovrebbe essere il gap di banda. Ne consegue che modificando la banda proibita della giunzione pn, si può ottenere un bagliore di qualsiasi colore dell'arcobaleno. E per ottenere il bianco, devi combinare i colori risultanti.

Metodi per ottenere luce bianca dai LED

Ricevere bianco Esistono tre metodi comuni per l'illuminazione dei LED:
1) Miscelazione dei colori luminosi secondo la tecnologia RGB (Fig. 6). Il metodo consiste nel posizionare densamente LED rossi, blu e verdi su un substrato, la cui radiazione viene miscelata grazie a un sistema ottico, come una lente di plastica. Il risultato è una luce bianca.

Figura 6. Tecnologia di produzione dei LED RGB

2) La base è costituita da tre LED che emettono luce ultravioletta. Successivamente, sulla superficie di ciascun LED viene applicato un rivestimento di fosforo blu, verde e rosso. Pertanto, il fosforo inizia a brillare in tre colori e quando questo bagliore viene miscelato con una lente, si ottiene il colore bianco.
3) Viene preso come base un LED blu, sulla sua superficie viene applicato fosforo verde e rosso (forse giallo-verde). Pertanto, si ottiene un bagliore bianco o vicino al bianco.

Figura 7. Tecnologia di produzione dei LED con applicazione di fosforo

Ogni metodo per ottenere un bagliore bianco presenta vantaggi e svantaggi.
Quindi la tecnologia RGB, oltre a tutto, permette di modificare il colore e la temperatura dei LED variando la corrente su ciascuno di essi. Inoltre, il posizionamento concentrato di tre LED nella matrice consente di ottenere un flusso luminoso totale e una potenza luminosa elevati. Tuttavia, questo sistema non può garantire un'illuminazione uniforme dell'intero punto luminoso, poiché al centro del sistema il bagliore sarà più luminoso che ai bordi. Ciò è dovuto al fenomeno dell'aberrazione del sistema ottico.
La produzione di LED utilizzando il fosforo è molto più economica della tecnologia RGB. Tuttavia, lo svantaggio di questo sistema è il rapido invecchiamento del fosforo (molto più veloce del cristallo LED) e la difficoltà nell'applicare uniformemente il fosforo sulla superficie del cristallo LED.

Caratteristiche elettriche dei LED

Il LED è un dispositivo a semiconduttore con consumo energetico a bassa tensione. La gamma di potenza degli indicatori LED convenzionali varia da 2 a 4 Volt con un consumo di corrente fino a 50 mA. I LED destinati all'illuminazione degli ambienti sono alimentati dalla stessa tensione, ma il consumo di corrente di tali dispositivi è molto più elevato e può raggiungere diversi ampere. A volte i moduli LED, costituiti da singoli LED, sono collegati in serie, il che aumenta la loro tensione di alimentazione totale.
Ma, oltre al fatto che la tensione di alimentazione del LED è bassa, deve anche essere stabilizzata. Ciò è dovuto al fatto che la tensione di alimentazione dei LED dipende in modo esponenziale dal consumo di corrente (Fig. 8). Con un leggero aumento della tensione, il consumo di corrente aumenta in modo significativo, il che può portare al surriscaldamento del dispositivo e al suo guasto. Pertanto, per stabilizzare la tensione di alimentazione dei LED, vengono utilizzati convertitori o driver (progettati per stabilizzare la corrente).

Figura 8. Caratteristiche corrente-tensione dei LED

Regolazione della luminosità dei LED

Molto spesso è necessario modificare la luminosità del LED. In nessun caso questa azione deve essere eseguita riducendo la tensione di alimentazione dei LED. Questo viene fatto utilizzando la tecnica della modulazione di larghezza di impulso (PWM). Questo metodo consiste nella realizzazione di un dispositivo che è un generatore di corrente modulato a impulsi con una frequenza del segnale di uscita da centinaia a migliaia di hertz, con la possibilità di modificare la larghezza degli impulsi e le pause tra di essi. Pertanto, utilizzando questo dispositivo, la luminosità media del LED alimentato diventa controllabile, mentre allo stesso tempo il LED non si spegne.

Durata della vita del LED

La durata dei LED dipende principalmente dalla loro modalità operativa. Se si tratta di un diodo del tipo indicatore a bassa potenza, la sua durata è molto lunga. Ciò è dovuto al fatto che la corrente che lo attraversa è piccola e non riscalda la giunzione p-n fisicamente accoppiata. I LED potenti sono progettati per una durata di 20-50 mila ore. A causa delle elevate correnti di alimentazione, la giunzione p-n diventa molto calda, il reticolo cristallino atomico si allenta, distruggendo l'integrità della giunzione p-n. Pertanto, l’invecchiamento dei LED si traduce in ultima analisi in una diminuzione della loro luminosità. Quindi, se la luminosità di un LED diminuisce del 30% rispetto alla luminosità originale, è necessario sostituirlo.

Dispositivi di illuminazione a LED ultimi anni avanzare in una marcia vittoriosa. Sugli scaffali dei negozi ampia selezione cinese Torce LED, ad un prezzo non molto superiore al costo delle batterie in esse incluse, che brillano più intensamente e più a lungo rispetto alle loro controparti con lampadina interna. Perché il LED si è trovato in una posizione così vantaggiosa?

Per chi non lo sapesse: un LED è un dispositivo a semiconduttore in cui la corrente elettrica viene convertita direttamente in radiazione luminosa. Un diodo, cioè è in grado di far passare la corrente solo in una direzione (vedi l'articolo Come funziona un diodo). A proposito, in inglese un LED è chiamato diodo emettitore di luce, o LED.

Il LED è costituito da un cristallo semiconduttore su un substrato non conduttore, un alloggiamento con conduttori di contatto e un sistema ottico. Per aumentare la durata, lo spazio tra il cristallo e la lente in plastica è riempito con silicone trasparente. La base in alluminio serve a rimuovere il calore in eccesso. Il che, devo dire, non risalta affatto gran numero.

Il bagliore in un cristallo semiconduttore si verifica quando elettroni e lacune si ricombinano nella regione della giunzione pn. La regione di giunzione pn è formata dal contatto di due semiconduttori con diversi tipi di conduttività. Per fare ciò, gli strati vicini del cristallo semiconduttore sono drogati con diverse impurità: impurità accettrici da un lato, impurità donatrici dall'altro.

Affinché una giunzione pn emetta luce, il gap di banda nella regione attiva del LED deve essere vicino all'energia dei quanti di luce visibile. In secondo luogo, il cristallo semiconduttore deve contenere pochi difetti, per cui la ricombinazione avviene senza radiazioni. Per soddisfare entrambe le condizioni, spesso una giunzione pn in un cristallo non è sufficiente e i produttori sono costretti a produrre strutture semiconduttrici multistrato, le cosiddette eterostrutture.

Ovviamente, più corrente passa attraverso il LED, più luminoso brilla, poiché il più attuale, maggiore è il numero di elettroni e lacune che entrano nella zona di ricombinazione nell'unità di tempo. Tuttavia, a causa della resistenza interna del semiconduttore e della giunzione p-n, il diodo si riscalda e, a corrente elevata, può bruciarsi: i cavi di alimentazione si scioglieranno o il semiconduttore stesso verrà bruciato.

A differenza delle lampade a incandescenza, la corrente elettrica nei LED viene convertita direttamente in radiazione luminosa, quando piccola quantità perdite di riscaldamento. Di conseguenza, i LED sono molto più economici e sono indispensabili in quei dispositivi in cui il riscaldamento è inaccettabile. Una particolarità del LED è la sua emissione in una parte ristretta dello spettro. Per questo motivo se ne innamorarono i designer per la produzione di pubblicità luminose e decorazioni per ambienti. Le radiazioni UV e IR sono generalmente assenti nei LED. Il LED ha un'elevata resistenza meccanica e affidabilità. La durata del LED raggiunge le 100mila ore, ovvero quasi 100 volte più lunga di quella di una lampadina a incandescenza e 5 - 10 volte più lunga di quella di una lampadina a incandescenza. lampada fluorescente. Infine, il LED è un dispositivo elettrico a bassa tensione, e quindi sicuro.

L'unico inconveniente della tecnologia è il suo costo elevato. Attualmente il prezzo di un lumen emesso da un LED è 100 volte superiore a quello di un lumen emesso da una lampada a incandescenza. Tuttavia, i produttori prevedono una diminuzione di questo indicatore di 10 volte nei prossimi anni.

I LED a base di fosfuro di gallio e arseniuro, che emettono nelle regioni giallo-verde, giallo e rosso dello spettro, sono stati sviluppati negli anni '60 -'70 del secolo scorso. Venivano utilizzati negli indicatori luminosi, nei tabelloni segnapunti, cruscotti automobili e aerei, schermi pubblicitari, vari sistemi di visualizzazione delle informazioni. In termini di emissione luminosa, i LED hanno superato le tradizionali lampade a incandescenza. Li hanno anche superati in termini di durata, affidabilità e sicurezza. Per molto tempo non ci sono stati LED blu, blu-verdi e bianchi. Il colore del LED dipende dalla banda proibita in cui elettroni e lacune si ricombinano, cioè dal materiale semiconduttore e dalle impurità droganti. Più “blu” è il LED, maggiore è l’energia dei quanti, il che significa che maggiore dovrebbe essere la banda proibita.

È stato possibile produrre LED blu basati su semiconduttori con un ampio intervallo di banda: carburo di silicio, composti di elementi dei gruppi II e IV o nitruri elementi III gruppi. Tuttavia, i LED basati su SiC si sono rivelati avere un’efficienza troppo bassa e una resa quantica (ovvero il numero di quanti emessi per coppia ricombinata) troppo bassa. I LED basati su soluzioni solide di seleniuro di zinco ZnSe avevano una resa quantica più elevata, ma si surriscaldavano a causa alta resistenza e si è rivelato di breve durata. Il primo LED blu è stato prodotto utilizzando pellicole di nitruro di gallio su un substrato di zaffiro(!).

La resa quantica è il numero di quanti di luce emessi per coppia elettrone-lacuna ricombinata. Viene fatta una distinzione tra efficienza quantistica interna ed esterna. Interno - nella giunzione pn stessa, esterno - per il dispositivo nel suo insieme (dopo tutto, la luce può essere persa “lungo la strada” - assorbita, dispersa). L'efficienza quantica interna per buoni cristalli con una buona dissipazione del calore raggiunge quasi il 100%, l'efficienza quantica esterna record per i LED rossi è del 55% e per i LED blu - 35%. L'efficienza quantica esterna è una delle caratteristiche principali dell'efficienza dei LED.

Luce bianca e dai LED puoi ottenerlo in diversi modi. Il primo è mescolare i colori utilizzando la tecnologia RGB. I LED rossi, blu e verdi sono posizionati densamente su una matrice, la cui radiazione viene miscelata utilizzando un sistema ottico, ad esempio una lente. Il risultato è una luce bianca. Il secondo metodo prevede l'applicazione di tre fosfori sulla superficie di un LED che emette nella gamma degli ultravioletti (ce ne sono alcuni), emettendo rispettivamente luce blu, verde e rossa. Basato sul principio di una lampada fluorescente. Il terzo metodo prevede l'applicazione di un fosforo giallo-verde o verde-rosso a un LED blu. In questo caso due o tre radiazioni si mescolano formando luce bianca o prossima al bianco.

Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi. La tecnologia RGB in linea di principio consente non solo di ottenere il colore bianco, ma anche di spostarsi lungo il diagramma dei colori al variare della corrente attraverso i diversi LED. Il risultato è un intero complesso di illuminazione che può essere controllato manualmente o tramite un programma. Tali effetti sono ampiamente utilizzati dai progettisti e dai produttori di ghirlande per alberi di Natale e dispositivi simili. Inoltre, un gran numero di LED nella matrice fornisce un elevato flusso luminoso totale e un'elevata intensità luminosa assiale. Lo svantaggio del sistema è il colore non uniforme al centro del punto luminoso e ai bordi. Inoltre, a causa della rimozione irregolare del calore dai bordi della matrice e dal suo centro, i LED si riscaldano in modo diverso e, di conseguenza, il loro colore cambia in modo diverso durante il processo di invecchiamento: la temperatura di colore totale e il colore “galleggiano” durante il funzionamento. È piuttosto difficile e costoso compensare questo fenomeno spiacevole. I LED bianchi con fosfori sono significativamente più economici delle matrici LED RGB (calcolate per unità di flusso luminoso) e forniscono un buon colore bianco. I loro svantaggi: in primo luogo, hanno una resa luminosa inferiore rispetto alle matrici RGB a causa della conversione della luce nello strato di fosforo; in secondo luogo, è piuttosto difficile controllare con precisione l'uniformità dell'applicazione del fosforo processo tecnologico e quindi temperatura colore; e infine, in terzo luogo, anche il fosforo invecchia e più velocemente del LED stesso.

L'industria produce sia LED con fosfori che matrici RGB: hanno diversi campi di applicazione. Un LED convenzionale utilizzato per l'indicazione consuma da 2 a 4 V Tensione CC a correnti fino a 50 mA. Il LED utilizzato per l'illuminazione consuma la stessa tensione, ma la corrente è maggiore, nel progetto da diverse centinaia di mA a 1 A. In un modulo LED i singoli LED possono essere collegati in serie e la tensione totale è più elevata (normalmente 12 o 24 V).

Quando si collega un LED è necessario rispettare la polarità, altrimenti l'apparecchio potrebbe danneggiarsi. La tensione di rottura è solitamente superiore a 5 V per un singolo LED. La luminosità di un LED è caratterizzata dal flusso luminoso e dall'intensità luminosa assiale, nonché dallo schema direzionale. I LED esistenti di diversi design emettono angolo solido da 4 a 140 gradi. Il colore, come al solito, è determinato dalle coordinate cromatiche e temperatura del colore, così come la lunghezza d'onda della radiazione.

La luminosità dei LED non viene regolata riducendo la tensione di alimentazione, ma con il cosiddetto metodo della modulazione di larghezza di impulso (PWM). Ciò richiede un'unità di controllo speciale. Il metodo PWM consiste nel fatto che al LED non viene fornita una corrente costante, ma modulata a impulsi, e la frequenza del segnale dovrebbe essere di centinaia o migliaia di hertz e la larghezza degli impulsi e delle pause tra loro può variare. La luminosità media del LED diventa controllabile, mentre allo stesso tempo il LED non si spegne.

I LED sono abbastanza durevoli, ma i LED di segnale ad alta potenza hanno una durata inferiore rispetto ai LED di segnale a bassa potenza. Tuttavia attualmente ammonta a 20 - 50 mila ore. L'invecchiamento si esprime principalmente in una diminuzione della luminosità e in un cambiamento di colore.

Lo spettro di emissione di un LED è quasi monocromatico, che è la sua differenza fondamentale rispetto allo spettro del sole o di una lampada a incandescenza. Non sono mai stati condotti studi seri sugli effetti di tale illuminazione sulla vista.

Un LED è un tipo di diodo, un dispositivo elettronico con conduttività unidirezionale della corrente elettrica. Un diodo, o come viene anche chiamato diodo raddrizzatore, ha le sue proprietà uniche da modificare resistenza elettrica a seconda della polarità della tensione ad esso applicata, viene utilizzato per il raddrizzamento AC. Il design del diodo raddrizzatore può essere costruito sia sulla base di tubi radioelettronici che sulla base di cristalli semiconduttori.

A differenza del diodo raddrizzatore, il LED è realizzato solo sulla base di cristalli semiconduttori. Il principio di funzionamento di entrambi i dispositivi elettronici si basa sull'iniezione (diffusione) di elettroni e lacune nell'area P-N transizione, cioè l'area di contatto di due semiconduttori con diversi tipi di conduttività. Per iniezione intendiamo il trasferimento degli elettroni in eccesso dalla regione N-tipo nella zona P-tipo, così come la transizione dei fori in eccesso dalla regione P-tipo nella zona N-tipo, dove mancano. Come risultato dell'iniezione, in entrambe le regioni, vicino al confine di transizione, si formano strati non compensati di elettroni e lacune. Di lato N-strato di transizione dei fori e sul lato P-strato di transizione degli elettroni. Questi strati formano il cosiddetto strato barriera, quello interno campo elettrico che impedisce un'ulteriore iniezione (Figura 1).

Figura 1. Strato barriera P-N transizione

Emerge un certo equilibrio. Quando una tensione negativa viene applicata a una regione del cristallo con conduttività N-tipo e tensione positiva alla regione del cristallo con conduttività P-tipo, sotto l'influenza di un campo elettrico esterno diretto contro il campo bloccante, viene aperto il percorso per i portatori principali attraverso P-N transizione. Lo strato barriera diventa più sottile e la sua resistenza diminuisce. C'è un massiccio movimento di elettroni liberi da N-regioni in P-area e fori da P-regioni in N-regione. Nel circuito si forma una corrente elettrica (Figura 2).

Figura 2: commutazione in avanti

Se viene applicata una tensione inversa, lo strato barriera diventa più spesso e la resistenza elettrica aumenta in modo significativo. Quando si applica la tensione inversa, praticamente non c'è corrente elettrica (Figura 3).

Figura 3. Accensione nella direzione inversa

Va ricordato che il valore di tensione inversa consentito per i LED, al quale non si verifica la rottura, è significativamente inferiore a quello dei diodi raddrizzatori. Spesso questo valore è uguale al valore massimo della tensione diretta. Pertanto, accendendo il LED in circuito elettrico corrente alternata, non dovremmo dimenticare il valore di ampiezza della tensione. Per una tensione sinusoidale con una frequenza di 50 Hz, il suo valore di ampiezza è 1,41 volte maggiore del valore efficace. Tali inclusioni vengono utilizzate raramente, poiché lo scopo del LED è comunque quello di “brillare” e non di “raddrizzare”. Di solito il LED è acceso a tensione costante.

Video 1. Semiconduttori

Quando gli elettroni liberi si muovono P-N gli elettroni e le lacune di transizione emettono fotoni a causa della loro transizione da un livello energetico a un altro. Non tutti i materiali semiconduttori emettono luce in modo efficiente quando vengono iniettati. Ad esempio, i diodi in silicio, germanio e carburo di silicio praticamente non emettono luce. E i diodi costituiti da arseniuro di gallio o solfuro di zinco hanno le migliori capacità di emissione.

La luce emessa non è coerente e si trova in uno spettro ristretto. A questo proposito ogni LED ha un proprio spettro di onde, con una propria lunghezza e frequenza, che possono essere visibili o meno all'occhio umano. Come esempio di utilizzo dei LED con spettro di emissione invisibile possiamo citare i LED utilizzati nel controllo remoto telecomando qualsiasi moderna apparecchiatura radioelettronica. Per vedere la radiazione, prendi il telecomando e qualsiasi altro cellulare possedere una macchina fotografica-videocamera. Metti il telefono in modalità ripresa video, punta l'obiettivo della fotocamera verso il bordo anteriore del telecomando e premi uno qualsiasi dei pulsanti sul telecomando. Allo stesso tempo, vedrai il LED brillare sullo schermo del telefono.

Lo spettro di emissione dipende da composizione chimica cristallo semiconduttore. Ogni spettro di emissione ha il proprio colore. Pertanto, i LED che emettono luce nello spettro visibile all'occhio umano vengono percepiti come multicolori, rossi, verdi, blu.

Il bagliore di un diodo a stato solido fu scoperto per la prima volta dallo sperimentatore britannico Henry Round. Nel 1907, dirigendo il suo documenti di ricerca notò accidentalmente che attorno al punto di contatto di un rilevatore a diodi funzionante appariva un bagliore. Tuttavia, non ha tratto conclusioni sull'applicazione pratica di questo fenomeno.

Alcuni anni dopo, nel 1922, Oleg Vladimirovich Losev, durante i suoi orologi radiofonici notturni, proprio come Henry Round, iniziò accidentalmente a osservare il bagliore emergente di un rilevatore di cristalli. Per ottenere una luminosità stabile dal cristallo, applicò la tensione di una batteria galvanica al punto di contatto del diodo rilevatore e quindi fece passare una corrente elettrica attraverso di esso. Questo è stato il primo tentativo di trovare un'applicazione pratica per il funzionamento dei LED.

Nel 1951 iniziarono negli Stati Uniti i lavori di ricerca sullo sviluppo di "lampadine a semiconduttore", la cui azione si basava sull'effetto Losev. Nel 1961 fu scoperta e brevettata la tecnologia per la produzione di LED a infrarossi, i cui autori furono Robert Bayard e Gary Pittman. Un anno dopo, nel 1962, Nick Holonyak, che lavorava presso la General Electric, produsse il primo LED rosso al mondo funzionante nel campo delle luci e successivamente trovò la sua prima applicazione pratica. Aveva una bassa efficienza energetica, consumava una corrente relativamente elevata, ma allo stesso tempo aveva una luce fioca. Tuttavia, la tecnologia si è rivelata promettente ed è stata ulteriormente sviluppata.

Il passo successivo nello sviluppo della tecnologia LED è stata l'invenzione del LED giallo. Un ex studente di Nick Holonyak, George Craford, nel 1972, insieme all'invenzione del LED giallo, aumentò di 10 volte la luminosità dei LED rossi e rosso-arancioni. Quasi contemporaneamente a queste invenzioni, all'inizio degli anni '70, furono prodotti i LED verdi. Hanno trovato la loro applicazione in calcolatrici, orologi da polso, dispositivi elettronici, indicatori luminosi e semafori stradali. Un aumento significativo del flusso luminoso, fino a 1 lumen (Lm), dei LED rossi, gialli e verdi è stato ottenuto solo nel 1990.

Nel 1993, un ingegnere giapponese e dipendente Nichia, Shuji Nakamura, fu in grado di produrre il primo LED ad alta luminosità che emetteva blu. Questa invenzione rappresentò una rivoluzione nello sviluppo della tecnologia LED, poiché i LED venivano prodotti in tre colori primari, rosso, verde e blu. Da questo momento in poi è stato possibile ottenere un bagliore di qualsiasi colore, compreso il bianco.

Nel 1996 apparvero i primi LED bianchi. Consistevano in due LED: blu e ultravioletto con un rivestimento al fosforo.

Nel 2011 sono stati realizzati progetti a LED bianchi che fornivano un'emissione luminosa fino a 210 Lm/W. Come hanno fatto scienziati e ingegneri a ottenere un tale successo? Per fare ciò, diamo un'occhiata ai metodi attualmente conosciuti per la produzione di LED bianchi.

È noto che tutti i colori e le sfumature sono costituiti da tre colori primari: rosso, verde, blu. La luce bianca non fa eccezione. Esistono quattro opzioni per produrre radiazione dai LED bianchi (Figura 4).

Figura 4. Ottenere LED che emettono luce bianca

La prima opzione è utilizzare tre LED separati nel design. P-N transizioni che emettono luce rossa, verde e blu. Con questa opzione per tutti P-N La transizione richiede la propria alimentazione. Regolando la tensione su ciascuno P-N transizione, ottengono la creazione di un bagliore bianco con la propria tonalità (temperatura del colore).

La seconda opzione: con questa opzione, la progettazione LED ne utilizza una P-N transizione di un bagliore blu, rivestito con un fosforo giallo o giallo-verde. Questa opzione viene utilizzata più spesso, poiché il LED richiede una fonte di alimentazione per funzionare. Tuttavia le caratteristiche cromatiche di questo LED sono inferiori a quelle dei LED ottenuti con altri metodi.

Terza opzione: anche qui ne viene utilizzata una P-N transizione di un bagliore blu, ma ricoperto da strati di fosfori di due colori: rosso e verde. I progetti LED prodotti utilizzando questo metodo forniscono caratteristiche cromatiche migliori.

La quarta opzione: il design del LED in questa opzione si basa su un LED ultravioletto rivestito con tre strati di fosfori rosso, verde e blu. Le strutture di tali LED sono le meno economiche, poiché la conversione dei raggi ultravioletti a onde corte in raggi visibili a onde lunghe, in tutti e tre gli strati del fosforo, è accompagnata da perdite di energia.

Valore di emissione luminosa superato LED luminosi il colore bianco di 210 Lm/W è stato finora raggiunto solo in condizioni di laboratorio. La massima resa luminosa dei LED luminosi disponibili per uso generale non supera i 120 Lm/W. Tali LED sono molto costosi e vengono utilizzati raramente. La maggior parte dei LED ha un'emissione luminosa di 60 - 95 Lm/W.

L'emissione luminosa di un LED, così come di qualsiasi altra sorgente luminosa che funziona sotto l'influenza di energia elettrica, dipende dall'intensità della corrente che lo attraversa. Maggiore è la corrente, maggiore è l'emissione luminosa. Ma proprio come qualsiasi altra fonte di luce, maggior parte l'energia in esso contenuta si trasforma in calore. Il riscaldamento dei LED è accompagnato da una diminuzione della loro emissione luminosa. A questo proposito, i produttori sono costretti a utilizzare massicce custodie metalliche per raffreddare il cristallo e dissipare il calore generato ambiente. Tali misure consentono di aumentare leggermente l'efficienza del suo utilizzo.

Se confrontiamo l'efficienza energetica di varie sorgenti luminose, risulta che i LED, con un'efficienza del 40 - 45%, sono i più economici. Ad esempio, le zampe incandescenti hanno un'efficienza del 2 - 5%, - 15 - 25%, - 24 - 30%.

La modalità operativa del LED, quando il cristallo si trova a una temperatura prossima alla temperatura ambiente, ha senza dubbio un effetto benefico sulla sua durata. In queste modalità operative, il LED può funzionare fino a 50.000 ore senza perdere l'emissione luminosa. Se l'obiettivo è aumentare l'emissione luminosa aumentando la corrente, ciò avrà naturalmente un effetto dannoso sulla sua durata. Innanzitutto, verso la fine della sua vita utile, l'emissione luminosa diminuisce notevolmente. Il calo avviene in modo fluido e raggiunge il 70% del valore iniziale. In secondo luogo, aumenta la probabilità del suo completo fallimento.

Questo fatto suggerisce che nella scelta degli apparecchi e delle lampade nello sviluppo di progetti illuminotecnici è necessario valutare di volta in volta quale sia più redditizio dal punto di vista economico.