Как устроен и работает светодиод
С момента открытия монохромных красных светодиодов в 1962 году началось активное развитие полупроводниковых источников света.
Открытие синего и белого диодов перевело технологию на новый уровень.
С тех пор постоянно меняется устройство светодиода, его характеристики и конструкция. Сейчас они широко используются в светотехнике, электронике и других областях.
Что такое светодиод простыми словами
Светодиод – это полупроводниковое устройство, создающее излучение при прохождении через него электрического тока. Из чего состоит светодиод: из кристалла, заключенного в защитный корпус с выводами. Кристалл расположен на непроводящей подложке и излучает определенный цвет. Для получения нужного свечения используются химические составы из различных полупроводников и люминофоры.
Кристалл состоит из двух и более полупроводников разного типа проводимости. Принцип работы светодиода следующий – в прямом направлении через него пропускают электрический ток. В электронно-дырочном переходе на границе двух веществ происходит движение электронов и дырок, в результате чего выделяется энергия в виде кванта света и прибор начинает светить.
Преимущества:
- высокая светоотдача;
- высокая механическая прочность и виброустойчивость;
- долгий срок работы;
- малый нагрев;
- от количества циклов включения-выключения не зависит срок работы;
- различный спектр белых светодиодов – от 2700 К до 6500 К;
- спектральная чистота, полученная благодаря принципу устройства;
- отсутствует задержка при включении;
- широкий диапазон углов излучения (от 15 градусов до 180 градусов);
- электрическая безопасность, так как не требуются высокие напряжения;
- отсутствие чувствительности к низким температурам;
- надежность;
- разнообразие форм;
- экономичность;
- экологичность, ввиду отсутствия в конструкции светодиода ртути и других вредных компонентов в составе светоизлучающего диода.
Недостатки:
- нельзя допускать работы при высоких температурах – кристалл начинает деградировать;
- высокая стоимость готового изделия.
Применение:
- уличное, домашнее и производственное освещение;
- индикация;
- уличная реклама, бегущие строки;
- фонари и светофоры;
- подсветка экранов телефона, телевизора, компьютера и других жидкокристаллических дисплеев;
- игрушки, значки и другие развлекательные элементы;
- диодные дорожные знаки;
- световые шнуры Дюралайт;
- в фитолампах.
Осветительный прибор на основе светодиодов состоит из:
- излучающего диода;
- драйвера;
- цоколя;
- корпуса.
Из крупных производителей светодиодов можно выделить японскую фирму Nichia Corporation и ее подразделение Nichia Chemical. Они являются лидерами по изготовлению сверхъярких диодов синего, белого и зеленого цвета. Также изготовлением излучающих диодов занимаются компании Phillips, Cree, Seoul Semiconduction из российских можно выделить Оптоган и Светлана-Оптоэлектроника.
В Nichia Chemical впервые разработали белый и синий светодиод.
Как устроены и чем отличаются светодиоды разных типов
Светодиоды можно классифицировать по разным критериям. Основное отличие – в технологии и электрических параметрах.
DIP
Сокращение DIP пошло от слов Direct In-line Package. Такие светодиоды известны еще с конца прошлого века. Устройство представляет собой стеклянную или пластиковую прозрачную колбу размером 3 или 5 мм, в которой находится полупроводниковый кристалл. Колба является линзой и формирует направленный пучок света. Кристалл закрепляется на катоде, который с помощью провода соединяется с анодом. Из корпуса выходят контакты в виде металлических ножек, через которые светодиод и включается в схему.
По форме бывают круглые, овальные, прямоугольные. Напряжение питания – до 5 В при 25 мА.
Обычно внутри линзы располагается один кристалл, но есть модели с двумя и более разных цветов. Такие модели могут оснащаться тремя и четырьмя выводами. Принцип работы светодиода подобного вида задает микрочип.
Dip светодиоды являются малоточными, они используются в гирляндах, для индикации, в подсветке, уличном освещении. По сравнению с SMD диодами они имеют следующие преимущества:
- яркость;
- направленный световой поток;
- долгий срок службы при работе на улице;
- потребление электроэнергии.
Основной недостаток – большой размер, от 3 мм.
Важно! С течением времени яркость свечения может уменьшаться. Это связано с деградацией кристалла и материалов, из чего делают светодиоды.
SMD
Светодиоды SMD – это приборы для крепления на поверхность. В настоящее время этот тип диодов является самым востребованным. С их появлением расширились возможности создания осветительных систем. Начали уменьшаться размеры светильника, монтаж автоматизирован.
Как устроен светодиод SMD – излучающий кристалл закреплен на подложке, от которой отводится тепло. К ней вмонтированы выходы. Внутри размещен управляющий чип. Защитой является овальная или сферическая линза из стекла или пластика.
Преимущества SMD:
- небольшая цена;
- надежность;
- срок службы;
- высокая светоотдача.
SMD светодиоды в смеху включаются при помощи специального клея. Самые маленькие диоды имеют размер 0,6х0,3 мм. Максимальная яркость – 8000 кд/кв.м.
Существует технология, при которой кристалл наносится на проводящую подложку без использования корпуса. В качестве защиты используется специальный слой, который выбирается по назначению светодиодов.
Используются для подсветки интерьеров, уличных билбордов, рекламных экранов с широким разрешением.
COB
Chip On Board (COB) светодиоды имеют большое количество кристаллов на одной подложке. Также их называют светодиодной матрицей. Сверху заливается люминофором.
Основные преимущества:
- простота монтажа;
- хороший поток света;
- высокий CRI;
- разнообразие форм.
Недостатки:
- стоимость;
- самый срок службы;
- светоотдача ниже, чем у SMD.
КОБы активно используются в создании ярких прожекторов и в других светильниках, где требуется акцентированная подсветка.
Важно! Из-за высокого нагрева требуется силиконовая оптика. Она устойчива к высоким температурам. Перед подключением ее нужно подготовить, иначе подложка деформируется и кристалл повредится.
Как работают светодиоды: принцип действия
Электрический ток преобразуется в свет в кристалле. Он состоит из двух полупроводников различного типа проводимости – n и p. N-проводимость обеспечивается легированием электронов в полупроводник, p – дырок.
Принцип действия светодиода заключается в появлении свечения при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе под действием тока, приложенного в прямом направлении. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой появляются фотоны.
Не все полупроводниковые материалы способны давать свет при рекомбинации. Для создания светодиодов используются прямозонные полупроводники, в которых разрешен прямой оптический переход зона-зона. К таким материалам относятся A3B5 (InP, GaAs), A2B4 (CdTe). В зависимости от состава можно получать светодиоды от ультрафиолетовых до инфракрасных.
Как работает светодиод, зависит от электронно-дырочного перехода. Условия пропускания света p-n переходом:
- близость ширины запрещенной зоны к энергии кванта света;
- минимальное содержание дефектов в полупроводниковом кристалле.
Для реализации этих требований одного p-n перехода недостаточно. Нужно создавать многослойные структуры – гетероструктуры, состоящие из нескольких полупроводников.
Получение светодиода определенного цвета
Для получения светодиода того или иного цвета используется три технологии – покрытие люминофором, использование RGB светодиодов и применение разных полупроводниковых материалов.
Покрытие люминофором
Люминофором называется вещество, которое может преобразовать поглощаемую энергию в свет. Получение светодиодов путем нанесения люминофора на поверхность имеет свои преимущества:
- простота конструкции;
- низкая стоимость производства;
- экономия.
К недостаткам относятся:
- снижение светоотдачи из-за потери световой энергии;
- влияние на цветовую температуру;
- быстрее стареет при эксплуатации.
Люминофор используется в белых светодиодах. С помощью люминофорного покрытия создаются диоды с различной цветовой температурой.
RGB-технология
Смешивание цветов по RGB технологии также помогает получить светодиоды различного спектра (обычно используются для белого). На матрице устанавливаются 3 монокристалла, каждый из них дает свой спектр RGB. Путем конструирования оптической системы цвета смешиваются и дают нужный оттенок.
Преимущества:
- возможность поочередного включения того или иного цвета вручную или автоматически;
- можно вызывать разные оттенки, меняющиеся по времени;
- создание эффектных осветительных конструкций для рекламы и дизайна.
Недостатки:
- неравномерность светового пятна;
- неравномерность нагрева и отвода тепла.
Отрицательные качества вызваны расположением кристаллов полупроводника на поверхности. Из-за этого качественно организовать RGB модель сложно.
Применение различных примесей и полупроводников
Работа светодиода напрямую зависит от материала, из которого он выполнен. Использование полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно добиться нужного света от диода. От ширины запрещенной зоны зависит длина волны.
Для получения приборов в инфракрасном и красном цветовом спектре используются твердые растворы на основе арсенида галлия. Оранжевые, желтые и зеленые цвета получаются при помощи фосфида галлия. Синие, фиолетовые и ультрафиолетовые изготавливаются на основе нитрида галлия.
Основные выводы
Светодиоды – это компоненты, которые активно используются во многих сферах деятельности. Их можно встретить в освещении улиц и домов, подсветке экранов мобильного телефона и компьютера, в качестве индикаторов. Строение элемента: полупроводниковый кристалл, подложка, линза и электроды.
Излучающие диоды бывают нескольких типов – SMD, DIP, COB, они различаются по конструкции и техническим характеристикам. Получить устройство нужного цвета можно с помощью RGB технологии, нанесения люминофора на поверхность и путем подбора полупроводников для кристалла. Производство светодиодов активно развивается, и появляются все новые приборы с улучшенными характеристиками.
Загрузка...
