Содержание:
Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чипа) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Излучаемый полупроводниковым кристаллом свет попадает в миниатюрную оптическую систему, состоящую из рефлектора и прозрачного корпуса светодиода. Изменяя конфигурацию рефлектора и линзы, добиваются необходимой направленности излучения: светодиоды бывают как узко, так и широконаправленные.
Почему светодиод светит
Кристалл светодиода, как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной ( n -типа) и с дырочной ( p -типа) проводимостью. На границе разнотипных полупроводников существует энергетический барьер ("запрещённая зона"), который препятствует p-n переходам. Под действием электрического поля происходит рекомбинация электронно-дырочной пары с излучением кванта света . Однако, не всякий p-n-переход излучает свет. Для нужно выполнение 2х условий: во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, а 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. На практике одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно для выполнения обоих условий и потому приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры ("гетероструктуры"). За изучение таких гетероструктцр российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электронно-дырочные пары, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Именно с этим было связано столь позднее появление синих светодиодов.
Яркость светодиода зависит от проходящего через него тока. 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.
Отдельно следует сказать про белые светодиоды. Как известно, чистого белого света в природе не существует, а то, что мы называем белым светом, на самом деле есть комбинация зелёного, синего и красного цветов. Поскольку кристалл светодиода излучает чистый свет, то белый он излучать не может. Поэтому для получения белого света изготовителям приходится прибегать к некоторым трюкам. Существует 2 способа получить белый свет от светодиода:
- смешивание цветов по технологии RGB, когда внутри светодиода близко друг к другу располагаются 3 кристалла: красный, зелёный и синий. Одновременное свечение всех 3х с одинаковой яркостью даст на выходе белый свет. Регулируя яркость отдельных цветов, можно получить нужный оттенок белого. Такой способ обычно применяется при изготовлении светодиодных экранов.
- Покрывать синий или ультрафиолетоый светодиод слоями люминофора.
В переводе с английского сокращение LED дословно означает «диод, который излучает свет». Это полупроводниковое устройство, способное трансформировать электрический ток в световое излучение. Это простое приспособление, конструкция которого довольно сильно отличается от привычных нам изделий для освещения (лампы накаливания, разрядные, люминесцентные лампы и т. д.).
Как работает светодиод, будет интересно узнать каждому. Этот прибор не имеет изначально ненадежных хрупких элементов конструкции и стеклянной колбы (в отличие от других ламп). Стоимость диодов настолько мала, что ненамного отличается от батареек, которые служат их источником питания. Популярность подобных изделий объясняется рядом факторов, в том числе и их конструкцией.
История возникновения
Рассматривая вопрос, почему работают светодиоды, следует изучить историю их возникновения. Впервые подобное устройство было создано в 1962 г. ученым Н. Холоньяком. Это был монохромный диод красного свечения. Он имел ряд недостатков, но сама технология была признана перспективной.
Спустя 10 лет после создания красного диода появились зеленые и желтые разновидности. Их применяли в качестве индикаторов во многих электронных приборах. Интенсивность светового потока диодов благодаря научным разработкам постоянно возрастала. В 90-х годах был создан осветитель с эффективностью потока 1 люмен.
В 1993 году С. Накамура создал первый синий диод, который характеризовался высокой яркостью. С этого момента стало возможным создавать любой цвет спектра (в том числе белый). Технологии неустанно развивались.
При соединении синего и ультрафиолетового типа диодов получается белый люминофорный осветитель. Они стали постепенно вытеснять лампы накаливания. К 2005 году выпускались диоды с мощностью светового потока до 100 лм и даже выше. Стали изготавливать белые осветительные приборы с разными оттенками (теплые, холодные).
Устройство светодиода
Чтобы понять, как работает точечный светодиод, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Этот осветительный прибор, по мнению представителей Ассоциации развития оптоэлектронной индустрии и департамента энергетики, в скором времени станет самым востребованным источником освещения в обычных домах, офисах, учреждениях.
Светодиод имеет основой полупроводниковый кристалл. Он пропускает электрический ток только в одну сторону. Кристалл расположен на особой подложке. Она не проводит ток. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий. Он имеет выходы в виде контактов, а также оптическую систему.
Чтобы повысить продолжительность эксплуатации прибора, пространство между пластиковой линзой и самим кристаллом заполнили прозрачным силиконовым компонентом. Чтобы отводить избыточное тепло, применяется алюминиевая основа. Это обычное устройство современного диода. При работе он выделяет относительно небольшое количество теплоты. Это также является преимуществом прибора.
Принцип работы
Рассматривая, как работает светодиод, необходимо вникнуть в основной принцип работы подобных устройств. Прибор представленного типа имеет один электронно-дырчатый переход. Это связано с разным принципом проводимости компонентов осветителя. Один полупроводник имеет излишек электронов, а другой – излишек дырок.
При помощи процесса легирования дырчатый материал обогащается носителями отрицательного заряда. Если в месте обогащения полупроводников противоположными зарядами приложить ток, получится прямое смещение. Через переход этих двух материалов побежит электричество.
При этом в корпусе диода происходит сплавление носителей зарядов с различным электрическим статусом. Когда дырки и электроны сталкиваются, выделяется определенное количество энергии. Это квант светового потока. Его называют фотоном.
Цвет светодиода
При создании диодов применяются различные полупроводниковые материалы. Это определяет цвет, который испускает при работе представленное устройство. Разные материалы способны посылать в пространство волны разной длины. Это позволяет человеческому глазу увидеть тот или иной цвет видимого спектра.
Изучая вопрос, как работает светодиод, следует рассмотреть материалы полупроводников. Раньше в подобных целях применялись фосфид галлия, тройные соединения GaAsP, AlGaAs. При этом прибор мог посылать в пространство красный, желто-зеленый световой поток.
Представленная технология ныне применяется только для индикаторных устройств. Сегодня для таких изделий используют алюминий индий-галлий (AllnGaP) и индий-нитрид галлия (InGaN). Они выдерживают довольно высокий уровень проходящего тока, высокие показатели влажности и нагрева. Возможна комбинация светодиодов разных типов.
Смешение цветов
Современные диодные ленты могут выдавать разные оттенки светового потока. Один прибор может производить монотонный цвет. При создании многокристального устройства возможно получить огромное количество различных оттенков. Подобно монитору телевизора или компьютера, диод может создать любой цвет при помощи модели RGB (расшифровывается как красный, зеленый, синий).
Это простой принцип, позволяющий понять, как работают RGB-светодиоды. При помощи этой технологии можно создавать и белое освещение. Для этого все три цвета смешиваются в равной пропорции.
Однако, помимо представленной технологии, можно получить белое свечение при соединении диода коротковолнового излучения (ультрафиолетовый, синий) вместе с желтым покрытием люминофорного типа. При комбинации фотонов желтого и синего цвета в итоге получается белое свечение.
Производство
Чтобы понять, от скольких вольт работают светодиоды, необходимо рассмотреть производство этих устройств. В первую очередь следует отметить, что приборы с матрицей типа RGB стоят дороже, чем люминоформы. Причем последние позволяют добиться освещения высокого качества.
Недостатком люминофоров является меньшая светоотдача, а также различная окраска (температура) потока. Это устройство стареет быстрее, чем светодиод. Поэтому в продажу поступают осветительные приборы обоих принципов работы. Для создания индикаторов производятся диоды с потреблением 2-4 В напряжения постоянного типа (при токе 50 мА).
Для создания полноценного освещения необходимы устройства с таким же потреблением напряжения, но более высоким уровнем тока — до 1 А. Если в одном модуле диоды подключить последовательно, суммарное напряжение будет достигать 12 или 24 В.
Усиление яркости
Рассматривая вопрос, от какого напряжения работают светодиоды, следует сказать о повышении яркости представленных устройств. Мощность таких приборов достигает 60 мВт. Если подобные диоды установить в средний по габаритам корпус, световых элементов потребуется установить 15-20 шт.
Диоды с усиленной яркостью свечения могут нести в себе мощность до 240 Вт. Чтобы обеспечить нормальную подсветку, подобных элементов потребуется 4-8 шт. В продаже представлены устройства, способные полноценно освещать помещения, наружную рекламу, витрины и т. д. Некоторые ленты создаются для выполнения подсветки средней или малой интенсивности.
Для подключения представленного оборудования применяют блоки управления соответствующей мощности. Для цветных лент возможно применять контроллеры, управляющие не только интенсивностью освещения, но и задающие оттенки и режимы работы устройства.
Управление свечением
Существует огромное количество вариантов представленного оборудования. Есть светодиоды, работающие от батареек (например, в фонариках), запитанные в стационарную сеть. Их применяют как для внутренней, так и внешней работы. В зависимости от условий применения подбирается соответствующий класс защиты диода.
Чтобы отрегулировать яркость свечения, напряжение питания не снижают. Для уменьшения интенсивности свечения применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом случае приобретается блок управления.
Представленный метод заключается в подаче на диод импульсно-модулированного тока. Частота сигнала при этом достигает тысяч герц. Может изменяться ширина импульсов и интервалов пауз. При этом можно управлять свечением прибора. Диод в этом случае не погаснет.
Долговечность
Диоды считаются долговечными устройствами. Это объясняется их конструкцией. Однако если не работают светодиоды на лампе, возможно, срок их эксплуатации вышел. Это можно определить по насыщенности свечения и изменению цвета.
Также специалисты отмечают, что срок эксплуатации маломощных устройств гораздо продолжительнее. Но даже в самых ярких лентах или лампах диоды гарантированно работают 20-50 тыс. часов. Так как они не имеют хрупких элементов конструкции, механические воздействия с большей вероятностью не нанесут вреда подобным осветителям.
Изучив, как работает светодиод, можно понять принцип устройства этого прибора, а также его эксплуатационные характеристики. Это оборудование считается осветителями будущего поколения.
Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.
Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.
Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.
Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.
Устройство светодиода
Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: анодом и катодом. Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.
Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:
Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.
Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.
На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.
Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.
Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.
Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.
Принципы излучения света
Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.
Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.
В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.
За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан p-n переход.
Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:
1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;
2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.
Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.
Влияние температуры
При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.
Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.
За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.
Особенности световых эффектов
При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.
Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:
1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;
2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.
На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.
Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.
Виды цветовой передачи света
Современные светодиоды излучают:
Желто-зеленый, желтый и красный спектр
В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.
Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.
Голубой спектр
Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:
1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;
2. высоких требований к содержанию примесей.
Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.
Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.
Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.
Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.
Белый спектр
Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:
1. смешивание цветов по методике RGB;
2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;
3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.
При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.
У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.
Особенности технологий белого спектра
Методика RGB
задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;
вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;
создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.
Простым примером такой реализации служат цветовые елочные гирлянды. Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.
Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:
неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;
неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.
Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.
Светодиоды с люминофором
Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.
Для них характерны недостатки:
в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;
сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;
люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.
Особенности светодиодов разных конструкций
Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.
Способы питания
Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.
Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.
С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.
При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.
Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.
Способы управления
Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:
1. величиной подключаемого напряжения;
Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.
Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.
За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.
Спектр излучения
Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.
О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.
Производство
При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.
Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.
Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.
Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.