Характеристики светодиодов: потребление тока, напряжение, мощность и светоотдача. Светодиоды: подробно простым языком

Светодиод - диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.

Принцип работы светодиода

Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.

Светодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.

Где используются светодиоды

Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.

Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.

Когда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.

Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.

С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.

Каждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.

Цифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.

Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.

Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.

В двух словах, светодиод (LED) представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электрического тока. Свет возникает, когда частицы, несущие ток (известные как электроны и дырки) объединяются в полупроводниковом материале в зоне p-n перехода.

Поскольку свет генерируется в твердом полупроводниковом материале, светодиоды описываются как твердотельные устройства. Термин твердотельное освещение, которое также включает в себя органические светодиоды (OLED), отличает эту технологию освещения от других источников света, таких как лампы накаливания, галогенные лампы, флуоресцентные лампы.

Различные цвета светодиодов

Внутри полупроводникового материала светодиода электроны и дырки находятся в энергетических зонах. Ширина запрещенной зоны определяет энергию фотонов (частиц света), излучаемых светодиодом.

Энергия фотона определяет длину волны испускаемого света и, следовательно, его цвет. Различные полупроводниковые материалы с различными запрещенными зонами создают разные цвета света. Точная длина волны (цвет) могут быть настроены путем изменения состава светоизлучающей или активной области.

Светодиоды состоят из соединений полупроводниковых элементов из III и V группы периодической таблицы химических элементов Менделеева. Примерами таких материалов, которые обычно используются в производстве светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP).

До середины 90-х годов светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, в частности, коммерческие синие и белые светодиоды не существовали. Разработка светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) завершила палитру цветов и открыла множество новых устройств.

Основные материалы, используемые при изготовлении светодиодов

Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства светодиодов, являются:

• InGaN: синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости
• AlGaInP: желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости
• AlGaAs: красные и инфракрасные светодиоды
• GaP: желтые и зеленые светодиоды

Подключение светодиодов

Как уже было сказано выше, светодиоды имеют различные цвета и рабочие напряжения. Важной характеристикой светодиода является его номинальный ток. В зависимости от рабочего напряжения нам необходимо , чтобы избежать повреждения светодиода большим током.

В электронных устройствах с напряжением питания 5 вольт для большинства маломощных светодиодов, как правило, сопротивлением около 220 Ом вполне достаточно.

Светодиоды имеют полярность. Поэтому, чтобы светодиод светился, его анод должен быть соединен с плюсом источника питания, а катод с минусом. Обычно у светодиода ножка анода длиннее, чем ножка катода. К тому же, со стороны катода корпус светодиода скошен.

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

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

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

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

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

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

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

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

Светодиодное освещение приобретает все большую популярность и постепенно вытесняет традиционные осветительные приборы. Многие виды светодиодов, выпускаемых производителями, постоянно совершенствуются, их конструкция с каждым годом становится лучше. Увеличивается мощность, корпуса становятся более оптимизированными для использования в различных областях. Огромный выбор цветов дает возможность создавать нужное освещение в разных помещениях. Современные светодиоды, благодаря характерным признакам, могут легко классифицироваться по видам, что в значительной степени облегчает их выбор для тех или иных целей.

Какие бывают светодиоды

Самые первые светодиоды применялись в качестве индикаторов и продолжают использоваться в этой сфере до сих пор. Наибольшее распространение получили индикаторные светодиоды, которые являются элементами выводного монтажа. Они имеют прямоугольную или круглую линзу и встречаются, начиная с самых простых устройств, и заканчивая сложнейшим современным оборудованием. Используются не только для индикации, но и в качестве подсветки.

Наиболее характерные представители этой группы имеют круглые выпуклые линзы, диаметр которых составляет от 3 до 10 мм. Однако незначительный ток этих светодиодов не дает возможности получить большое количество света, делая их использование в качестве осветительных приборов нецелесообразным. Больше всего они подходят для таких приборов, как бегущая строка и световое табло. Они требуют незначительного тока и напряжения и почти не нагреваются.

Индикаторные светодиоды могут быть белыми или цветными в соответствии со стандартным цветовым спектром. Некоторые конструкции выпускаются в многоцветном варианте. В этом случае одна линза оборудуется тремя переходами, а нижняя часть - четырьмя выводами. Такие элементы получаются более функциональными, что дает возможность создания цветных светодиодных табло.

С развитием технологий, в выводном монтаже стали использоваться более современные яркие светодиоды. Сила света этих элементов значительно выше, чем у индикаторных светодиодов, поэтому они стали широко применяться для карманных фонариков.

Поверхностный монтаж на печатную плату все чаще выполняется с помощью светодиодов, совместивших индикаторные и осветительные функции. Известные под маркой SMD - Surface Mounted Device. Они заключены в корпуса со стандартной размерной линейкой. По мощности их можно сравнить с индикаторными светодиодами. Большое количество таких светодиодов может быть смонтировано на небольшой площади печатной платы. За счет этого удается получить светодиодные лампы, и панели практически любых размеров.

Отдельно стоит отметить группу сверхъярких светодиодов, широко используемых в наружной рекламе и тюнинге автомобилей. Они известны под названием «Пиранья», имеют прямоугольную форму и улучшенные рассеивающие свойства. Четыре вывода позволяют жестко закрепить элемент на плате или другой плоскости. Основные цвета - белый, красный, зеленый и синий, размеры составляют 3-7,7 мм.

В настоящее время светодиоды наиболее широко используются в помещений. Они представлены модельным рядом СОВ, что означает Ghip On Board. Данные источники света могут быть теплыми и холодными, белыми, желтыми и других оттенков. По цвету они похожи на обычные лампы накаливания, лампы дневного света и даже на естественный солнечный свет. Эти параметры напрямую зависят от характеристик полупроводников и нанесенного люминофора. Для нанесения покрытия используются в основном синие светодиоды, что дает возможность получения красного, зеленого, желтого и другого цвета. Световые качества максимально приближены к люминесцентному освещению.

Конструктивно светодиоды СОВ состоят из множества кристаллических полупроводников, смонтированных на общую подложку и покрытых люминофором. Таким образом, удается достичь высокой яркости за счет суммарного светового потока, создаваемого несколькими источниками света, расположенными очень плотно между собой. В случае необходимости такие светодиоды могут применяться как индикаторы.

В процессе эксплуатации данным элементам обязательно необходим отвод тепла, а устройства повышенной и высокой мощностью оборудуются радиаторами. В противном случае под влиянием тепла светодиодные кристаллы будут разрушаться. Если они окажутся частично разрушенными, потребуется замена всей подложки. Поэтому рекомендуется заранее позаботиться об охлаждении.

Сегодня все более популярными становятся источники света Filament, светодиоды у которых напоминают обычную нить накаливания. Световые свойства этого вида светодиодов заметно превосходят любые модели СОВ. Это достигается за счет большого количества кристаллов, смонтированных на стеклянную подложку. Далее вся конструкция заливается флуоресцентным составом. Данная технология получила название Chip On Glass, что означает чип на стекле.

Величина видимого телесного угла составляет 3600, поэтому световая отдача выше, чем у плоских матриц. Светодиодная лампа на 6 Вт по световому излучению равна обычной лампе накаливания на 60 Вт.

Параметры светодиодов

Одной из основных характеристик светодиодов является рабочий ток. Дело в том, что данные элементы могут работать лишь при определенной силе тока, обеспечивающей нормальную работоспособность. Поэтому даже незначительное превышение установленной величины тока, быстро приведет к выходу из строя светодиода - он просто перегорит.

Рабочий ток отличается у каждого типа источника света. Более мощным элементам требуется соответствующий более высокий ток. Для регулировки необходимой величины тока в каждой светодиодной лампе и светильнике установлены специальные драйвера. Если же светодиод подключается отдельно, необходимо знание его технических характеристик для ограничения тока с помощью нужного драйвера, конденсатора или резистора.

Не менее важным параметром светодиодов является рабочее напряжение. Его величина зависит от самих полупроводников и других материалов, применяемых при изготовлении. Таким образом, светодиоды с разными цветами отличаются различным рабочим напряжением. То есть, значение рабочего напряжения можно установить по цвету того или иного светодиода.

В большинстве случаев питание светильников и светодиодных лент осуществляется с помощью драйверов, с выходным постоянным током 12 В. То есть, в последовательной цепи может быть только 4 светодиода с рабочим напряжением 3 В. Если включить дополнительно пятый светодиод, такая цепь не будет работать. Данная характеристика называется также падением напряжения, составляющим в данном случае 3 вольта.

Нельзя забывать и о таком параметре, как мощность светодиода. На ее показатели оказывают влияние две предыдущие характеристики - рабочий ток и падение напряжения. Большой ток для мощных светодиодов должен совмещаться с качественной системой охлаждения. Для этого используются алюминиевые и медные радиаторы, а также вентиляторы-кулеры принудительного обдува.

Мощность любого светодиода определяется путем умножения значения напряжения на силу тока. При расчетах светодиодной сборки учитываются все используемые элементы. Например, общая мощность светодиода, включающего 100 кристаллов по 1 ватту, будет составлять 100 Вт.

Испускаемый осветительными светодиодами, отличается более высокой мощностью по сравнению с другими источниками - лампами накаливания, люминесцентными и другими светильниками с такой же, или более высокой мощностью. Следовательно, у них и более высокая световая отдача на каждый ватт мощности того или иного светодиода. Тем не менее, эти превосходные качества будут заметно отличаться, в зависимости от типа и качества изготовления конкретного элемента.

Немаловажное значение имеет угол рассеивания. У светодиодов он меньше, чем у других светильников. Для его расширения применяются специальные рассеивающие линзы. При необходимости создания узкого угла рассеивания используются собирательные линзы, сужающие световой луч. Яркость светодиодного пучка света будет неравномерной в границах угла рассеивания. Яркое свечение в центре постепенно снижается с приближением светового потока к краям этого угла.

Классификация

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.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . 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 .

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:

• белый свет.

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

Она позволяет:

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 . 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.

СВЕТОДИОД Графическое обозначение

Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.

Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.

Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.

Изобретение и первые образцы

В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.

Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.

В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.

Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.

Практическое использование первых светодиодов

Дальнейшее развитие светодиодных технологий

Благодаря этому открытию светодиодные технологии начали бурно развиваться. В феврале 2008 года сотрудники Bilkent university в Турции заявили о получении 300 люмен видимого света на один ватт световой мощности. Это был белый цвет теплого оттенка, полученный с использованием нанокристаллов.

В январе 2009 года исследователи из Кембриджа под предводительством С. Хэмфри доложили о выращивании нитрида галлия на подложке из кремния. Этот способ позволяет сократить производственные затраты при производстве сверхярких светодиодов на 90% по сравнению с выращиванием структур на сапфировой подложке.

Физические аспекты

Принцип работы светодиода

Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход.

Изобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.

Электроны и дырки

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами (диэлектриками). При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике "сидит" в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Причем при росте температуры сопротивление полупроводников падает, то есть полупроводник при нагревании не уменьшает свою электропроводность, как металл, а, наоборот, увеличивает ее. Иначе говоря, в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.

При подведении энергии (теплоты или света) в кристаллических решетках полупроводников часть электронов "убегает" из верхних атомных оболочек, при этом образуется положительный заряд. То место, где в решетке не хватает электрона, называют "дыркой".

Под действием электрического напряжения электроны дрейфуют к одному электроду (положительному полюсу), а дырки - к другому (отрицательному), причем их место тут же занимают свободные электроны. Закономерности движения дырок таковы, что этим "пустым местам" физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и "эффективную массу".

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Если добавлять в полупроводник атомы других элементов, его проводимость можно существенно увеличить. При введении легирующих примесей в различные части кристаллической решетки полупроводника возникает так называемая примесная проводимость (в отличие от собственной проводимости), которая, в зависимости от валентности легирующих элементов, называется либо электронной (проводимостью n-типа), либо дырочной (p-типа).

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р-проводимостью, а другой - n-проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители (электроны или дырки), стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. На образующийся в этом слое p-n-переход можно воздействовать внешним напряжением, усиливая или, наоборот, "запирая" ток, проходящий через кристалл, - на основании этого принципа работают диоды и транзисторы. При положительной полярности внешнего напряжения (плюс - к p-зоне, минус - к n-зоне) барьер в p-n-переходе понижается, и происходит "перескакивание" (рекомбинирование) электронов и дырок в противоположные зоны, в результате чего выделяется энергия.

Сначала полупроводниковые приборы были только "гомопереходными" (как в случае с первым транзистором) - p-n-переход происходил внутри кристалла одного химического вещества. Но почти сразу появилась и идея гетероустройств, в которых такой переход образуется на стыке двух различных полупроводников. Реализация этой идеи позволила создать более миниатюрные приборы с большей эффективностью и функциональностью (так, первые в мире "гомопереходные" полупроводниковые светодиоды, а затем и лазеры могли работать только при температуре жидкого азота, а появившиеся позже гетеропереходные функционируют и при комнатной температуре).

Большинство материалов, используемых при производстве светодиодов, имеют очень высокий уровень отражения. Это необходимо для того, чтобы как можно больше света, производимого светодиодом, выходило с его поверхности за пределы корпуса. Именно поэтому этому посвящено большое количество исследований во всем мире.

Эффективность и параметры использования

Одной из ключевых позиций определения эффективности светодиода является световой выход на единицу мощности. Белый светодиод быстро достиг и превзошел показатели обычных систем на базе ламп накаливания. В 2002 году компания Lumileds произвела 5 Вт светодиод со значениями светового выхода на уровне 18-22 люмен/Ватт. Для сравнения, обычная лампа накаливания мощностью 60-100 Вт производит около 15 люмен на ватт. Люминесцентная лампа - около 100 Лм/Вт. Основной проблемой при разработке мощных светодиодов является падение светового потока при повышении тока, проходящего через кристалл.

В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода, производящий 24 мВт при токе 20 мА. Это позволило наладить коммерческого производство белых светодиодов с эффективностью 65 Лм/Вт при токе 20 мА, которые стали наиболее яркими на тот момент на рынке и превысили эффективность ламп накаливания более чем в четыре раза. В 2006 году эта же компания представила прототип белого светодиода со световым выходом 131 Лм/Вт на 20 мА.

Нужно отметить, что мощность СИД 1 Вт и более вполне достаточна для коммерческого применения в качестве источника основного освещения. Типовой ток подобных светодиодов - 350 мА. Хотя ведущие производители и производят светодиоды с эффективностью выше 100 Лм/Вт, в условиях реального использования многое зависит от условий эксплуатации и конструкции светильника. Энергетический департамент США, который в 2008 году проводил тестирование светодиодных ламп, представленных в широкой продаже, предоставил данные, говорящие о том, что большинство таких ламп имеет среднюю эффективность на уровне 31 Лм/Вт.

Компания Cree 19 Ноября 2008 года предоставила данные о лабораторном прототипе светодиода с эффективностью 161 Лм/Вт при комнатной температуре и температуре света 4689 К.

Неисправности и срок жизни светодиодов

Материалы

Синие светодиоды

Синий светодиод

Синие светодиоды базируются на сплавах GaN и InGaN. Комбинация с красным и зеленым светодиодами позволяет получить чистый белый цвет, но такой принцип формирования белого сейчас используется редко.

Первый синий светодиод был изготовлен в 1971 году Jacques Pankove (изобретателем нитрида галлия). Но он производил слишком мало света, чтобы его можно было использовать на практике. Первый яркий синий диод был продемонстрирован в 1993 году и получил широкое распостранение.

Белый свет

Системы RGB

Есть несколько типов многоцветных белых светодиодов - ди-, три-, и тетрахроматичные. Есть несколько ключевых особенностей каждого из этих типов, включая стабильность цвета, цветопередачу и световую эффективность. Высокая световая эффективность подразумевает низкий индекс цветопередачи (CRI). Например, дихроматичный белый светодиод имеет лучшую световую эффективность (около 120 Лм/Вт), но самый низкий CRI. Тетрахроматичный - небольшую световую эффективность, но превосходный CRI. Трихроматичный находится примерно посередине.

Хотя многоцветные светодиоды являются не самым оптимальным решением для получения белого цвета, их использование позволяет создавать системы, производящие миллионы различных оттенков цвета. Основная проблема при этом - разные значения световой эффективности для основных цветов. При повышении температуры это вызывает "уплывание" необходимого цвета и, как следствие, более жестких требований к системам питания и контроля.

Светодиоды на базе фосфора

СИД на базе фосфора имеют меньшую эффективность, чем обычные светодиоды, так как часть света рассеивается в слое фосфора, к тому же сам фосфор также подвержен деградации. Тем не менее это способ остается наиболее популярным при коммерческом производстве белых светодиодов. Наиболее часто используется желтый фосфорный материал Ce3+:YAG.

Также белые светодиоды могут быть изготовлены на базе ультрафиолетовых светодиодов с примененим фосфора красного и синего цвета с добавлением сульфида цинка (ZnS:Cu,Al) . Этот принцип аналогичен используемому в лампах дневного света. Этот способ хуже предыдущего, но позволяет добиться лучшей цветопередачи. К тому же ультрафиолетовые диоды имеют большую световую эффективность. С другой стороны, УФ излучение вредно для человека.

Органические светодиоды (OLED)

По сравнению с обычными светодиодами, OLED светлее, а полимерные вдобавок позволяют делать источник света гибким. В будущем на базе таких светодиодов планируется изготовление гибких недорогих дисплеев для портативных устройств, источников света, декоративных систем, светящейся одежды. Но пока уровень разработки OLED не допускает их коммерческое применение.

Светодиоды на квантовых точках (экспериментальная разработка)

В сентябре 2009 года компания Nanoco Group объявила о заключении исследовательского соглашения с одной из крупнейших японских компаний. Темой исследований является дальнейшая разработка технологии "квантовых точек" для применения в жидкокристаллических телевизионных дисплеях.

Продолжение следует