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.

Устройства для освещения с помощью светодиодов последние годы наступают победным маршем. На прилавках магазинов большой выбор китайских светодиодных фонариков, по цене не на много превышающих стоимость входящих в них батареек, которые светят ярче и долше чем их аналоги с лампочками внутри. За счет чего светодиод оказался в столь выигрышном положении?

Для тех, кто не в курсе: светодиод - это такой полупроводниковый прибор, в котором электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение. Диод - то есть ток пропускать он способен только в одном направлении (см. статью Как работает диод) Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на токонепроводящей подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Для повышения жизнестойкости пространство между кристаллом и пластиковой линзой заполнено прозрачным силиконом. Алюминиевая основа служит для отвода избыточного тепла. Которого, надо сказать, выделяется совсем небольшое количество.

Свечение в полупроводниковом кристалле возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Область p-n-перехода, образуется контактом двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Чтобы p-n-переход стал излучать свет, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Чтобы соблюсти оба условия, зачастую одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и производители вынуждены идти на изготавление многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур.

Очевидно, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче, поскольку чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Однако, из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод нагревается и при большом токе может сгореть - расплавятся подводящие провода или будет пережжен сам полупроводник.

В отличие от ламп накаливания, электрический ток в светодиодах преобразуется непосредственно в световое излучение, при небольшом количестве потерь на нагревание. В результате светодиоды на несколько порядков более экономичны и незаменимы в тех приборах, где нагревание недопустимо. Особенностью светодиода является излучение в узкой части спектра. За это он полюбился дизайнерам для изготовления световой рекламы и декорирования помещений. УФ- и ИК-излучения, как правило, в светодиодах отсутствуют. Светодиод обладает высокой механической прочностью и надежностью. Срок службы светодиода достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 - 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Единственный недостаток технологии - высокая стоимость. На данный момент цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем люмена излученного лампой накаливания. Впрочем производители прогнозируют снижение этого показателя в ближайшие годы в 10 раз.

Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х - 70-х годах прошлого столетия. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Долго не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета. Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Голубые светодиоды удалось изготовить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. Однако, у светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и оказались недолговечны. Первый голубой светодиод удалось изготовить на основе пленок нитрида галлия на сапфировой(!) подложке.

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих - 35%. Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Белый света от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый - смешать цвета по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы. Третий способ - это когда желто-зеленый или зелено-красный люминофор наносятся на голубой светодиод. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Получается целый осветительный комплекс, которым можно управлять вручную или посредством программы. Такие эффекты широко используются дизайнерами и производителями елочных гирлянд и аналогичных устройств. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Недостатком системы является неодинаковый цвет в центре светового пятна и по краям. Кроме этого, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения - суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки их: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы - у них разные области применения. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Яркость светодиодов регулируется не за счет снижения напряжения питания, а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для этого необходим специальный управляющий блок. Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Светодиоды достаточно долговечны, однако срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных. Впрочем, и он составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости и с изменением цвета.

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Серьезных исследований на влияние такого освещение на зрение никогда не проводилось.

В данной информационной статье мы постараемся в полной мере описать принцип работы светодиодов всех разновидностей, имеющихся в природе на сегодняшний день. Рассмотрим общее устройство LED и разберемся как получаются светоизлучающие диоды разных цветов.

Наверное, каждый человек знает, что принцип действия светодиода заключается в его «свечении» при подключении к источнику питания. Однако за счет чего это достигается? Давайте разберемся более детально в этом вопросе.

Для создания видимого светового потока конструкция светодиода предусматривает наличие двух полупроводников, один из которых в своем составе должен содержать свободные электроны, а другой – «дыры».

Таким образом, между полупроводниками возникает «P-N» переход, в результате которого электроны от донора переходят в другой полупроводник (реципиент) и занимают свободные дыры с выделением фотонов. Эта реакция проходит только при наличии источника постоянного тока.

Принцип действия разобрали, однако благодаря чему происходит этот процесс? Для этого необходимо рассмотреть конструктивную особенность светодиода.

Как устроен светодиод

В независимости от модели светодиода (СОВ, OLED, SMD и т.д.) они состоят из следующих элементов:

1. Анод (подача положительной полуволны на кристалл);
2. Катод (подача отрицательной полуволны постоянного тока на кристалл полупроводника);
3. Отражатель (отражение светового потока на рассеиватель);
4. Чип или кристалл полупроводника (излучение светового потока за счет «P-N» перехода);
5. (увеличение угла свечения светодиода).

Теперь ознакомимся со способами получения различных цветов.

Получение светодиода определенного цвета

Ранее мы разобрали принцип работы светодиода и выяснили, что световой поток образуется при возникновении «P-N» перехода в полупроводнике с выделением фотонов видимых человеческому глазу. Однако каким же образом можно получить различное свечение светодиода? Для этого существует несколько вариантов. Рассмотрим каждый из них.

Покрытие люминофором

Данная технология позволяет получить практически любой цвет, однако зачастую используется для получения белых светодиодов. Для нее применяют специальный реагент – люминофор, которым покрывают красный или синий светодиод. После обработки синий светоизлучающий диод начинает светить белым.

RGB — технология

Подобный тип устройств способен излучать любой оттенок светового спектра за счет применения в одном кристалле 3-х светодиодов: красного, зеленого и синего. В зависимости от интенсивности свечения каждого из них, меняется излучаемый свет.

Применение различных примесей и различных полупроводников

Благодаря данной технологии, изменяется длина волны излучаемого светового потока в зоне «P-N» перехода. А как известно, в зависимости от длинны волны, ее цвет меняется. Более наглядно это можно увидеть на следующем фото:

Теперь давайте разберем следующий вопрос: какими электрическими характеристиками обладают данные устройства и что нужно для их надежной работы.

Электрические характеристики

Светодиоды – это устройства, излучающие световой поток при прохождении через них стабилизированного постоянного напряжения низкого номинала (3-5В). За счет создания разности потенциалов на аноде и катоде в кристалле возникает электрический ток, создающий световой поток.

Для полноценной работы LED, величина тока должна быть на уровне 20-25 мА. Однако для мощных светодиодов, ток потребления может достигать 1400 мА.

При увеличении напряжения источника питания, сила тока увеличивается по экспоненте. Это означает что при незначительном скачке напряжения питания сила тока увеличивается многократно, что может привести к повышению температуры и выходу из строя светоизлучающего диода(читайте, ). Именно по этой причине источник постоянного напряжения необходимо стабилизировать с помощью специальных микросхем.

Теперь рассмотрим основные разновидности LED, их достоинства и недостатки.

Устройство светодиода индикаторного типа (DIP)

Данный тип LED – это «первопроходцы» в сфере светодиодной техники. Они предназначаются для промышленности в качестве индикаторов.

Они состоят из 3-х или 5-и миллиметрового корпуса, анода, катода, кристалла, золотого (в бюджетных вариантах медного) проводника, соединяющего анод с кристаллом и рассеивателя.

На практике применяются очень редко, т.к. имеют ряд недостатков:

• большой размер;
• малый угол свечения (до 120 0);
• низкое качество кристалла (при длительной работе яркость излучения падает до 70%);
• слабый световой поток за счет малой пропускной способности кристалла (до 20мА).

Как устроен мощный светодиод

Мощные светоизлучающие диоды (например, фирмы ) предназначены для создания интенсивного светового потока за счет прохождения через кристалл большого тока (до 1400 мА).

На кристалле выделяется большое количество тепла, которое с помощью алюминиевого отводится от кристалла полупроводника. Также этот радиатор служит в качестве отражателя для увеличения светового потока.

Для надежной работы мощных LED необходимо наличие в схеме специального рассчитанного на прохождение большого потока электронов, который помимо стабилизации напряжения должен ограничивать ток, соответствующий номинальной работе устройства.

Устройство филаментного светодиода

Конструкция

Филаментные LED – это устройства, состоящие из сапфирового или обычного стекла диаметр, которого не превышает 1,5мм и специально выращенных кристаллов полупроводников (28 штук) соединённых последовательно на изолированной подложке.

Эти светодиоды помещаются в специальную колбу, покрываемую люминофором, за счет чего можно получить любой цвет. Основное достоинство LED устройств, разработанных по данной технологии – это угол свечения, достигающий 360 0 .

Филаментные светоизлучающие диоды некоторые источники относят к классу COB (смотрите раздел ниже), поскольку кристаллы выращиваются на стекле или сапфире по аналогичной технологии.

Устройство и принцип работы светодиода COB

Технология СОВ или же Chip-On-Board – это одна из современных разработок в сфере электроники, заключающаяся в помещении большого количества кристаллов полупроводника с помощью диэлектрического клея на алюминиевую подложку. Также изготовление светодиодов подобного типа возможно на стеклянной матрице (COG) однако принцип работы у них одинаков.

Полученная матрица покрывается люминофором. В результате удается достичь равномерного свечение COB светодиода любого оттенка по всей площади. Данные устройства широко применяются в разработке телевизоров, ноутбуков и планшетов.

Принцип работы

Несмотря на то, что СОВ светодиоды имеют специфическое название, принцип его действия полностью аналогичен обычным индикаторным светоизлучающим диодам разработанных в 1962 году. При прохождении тока через кристаллы полупроводника возникает «P-N» переход и как следствие – световой поток.

Отличительной особенностью данного типа устройств является наличие большого количество кристаллов, что позволяет получить более интенсивный световой поток.

Устройство и принцип работы органического светодиода OLED

Самое новое достижение в сфере производства – это технология OLED. Она позволяет производить высокотехнологические телевизоры с тонким дисплеем, миниатюрные смартфоны, планшеты и еще многие другие приборы, без которых не обойтись в современном обществе.

Устройство OLED

Светоизлучающий диод OLED состоит из:

• анода, изготовленного из смеси оксида индия с оловом;
• подложки из фольги, стекла или же пластика;
• алюминиевого или кальциевого катода;
• излучающей прослойки на основе полимера;
• токопроводящего слоя из органических веществ.

Как работает данная технология?

Принцип действия OLED аналогичен светодиодам СОВ, SMD и DIP и заключается в образовании «P-N» перехода в полупроводниках. Однако отличительной особенностью технологии ОЛЕД является применение специальных полимеров, из которых состоит светоизлучающая прослойка, за счет которой увеличивается светодиода, световой поток видимого спектра и угол свечения.

Достоинства

• минимальные размеры;
• низкое энергопотребление;
• равномерное свечение по всей площади;
• длительный срок эксплуатации;
• увеличенный срок службы;
• широкий угол свечения (до 270 0);
• низкая себестоимость.

Мы рассмотрели основные типы светоизлучающих диодов, которые применяются в современном мире, однако на ряду с ними, корейские ученые пошли дальше и разработали LED на основе волокон, которые по их обещаниям вытеснят все устаревшие типы устройств. Давайте рассмотрим, что они собой представляют.

Устройство и принцип работы светодиода на основе волокон

Для производства светодиодов данной ниши применяют нити терефталата полиэтилена обработанные раствором PEDOT:PSS polystyrene sulfonate. После обработки нить будущего светодиода просушивают при температуре 130 0 С.

После, заготовку обрабатывают по технологии OLED специальным полимером poly-(p-phenylenevinylene) polymer и полученные волокна покрывают тонким слоем суспензии литий-алюминиевого фторида.

Выводы

Мы рассмотрели основные типы светодиодов, которых как Вы можете видеть существует огромное количество. Однако по принципу работы они все одинаковы.

Также можно сказать, что благодаря применению современных материалов и можно добиться высоких технических показателей и более надежной и длительной работы светодиодов.

Светодиод (англ. light emitting diode, или LED) – это радиоэлектронный прибор, выполненный на основе полупроводника (в большинстве случаев из легированного кремния или германия), принцип действия которого основан на односторонней проводимости с выделением светового излучения.

Устройство светодиода

Как и любой полупроводник, светодиод представляет собой соединение полупроводникового кристалла p – типа (легированного трехвалентным материалом – например In) с полупроводниковым кристаллом n – типа (легированным пятивалентным материалом – например As), которое образует p – n переход.

Кристалл p – типа обладает свойством «дырочной» проводимости – носителями заряда в таких кристаллах являются положительно заряженные участки ковалентных связей кристалла, которым недостает электронов (Рис.1).

Рисунок 1. Дырочная проводимость полупроводника

Кристалл n – типа обладает электронной проводимостью - носителями заряда в таких кристаллах являются отрицательно заряженные свободные электроны (Рис. 2).

Рисунок 2. Электронная проводимость полупроводника

При соединении кристалла p – типа с кристалломn – типа в области их контактаобразуется p – n переход , который обладает свойством запирающего слоя (рис. 3).
В области места контакта двух полупроводников n -типа и p -типа возникает процесс диффузии: дырки из p -области переходят в n -область, а электроны, наоборот, из n -области в p -область. В результате в n -области в зоне запирающего слоя уменьшается концентрация электронов, что сопровождается возникновением положительно заряженного слоя. В p -области наблюдается уменьшение концентрации дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, в области контакта полупроводников происходит образование двойного электрического слоя, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 3).

Рисунок 3. Запирающий слой p–n-перехода

В случае соединения n –p -перехода к внешнему источнику тока так, чтобы положительный его полюс был соединен с p -областью, а отрицательный с n -областью, то показатель напряженности электрического поля в запирающем слое уменьшится и облегчит переход основных носителей тока через контактный слой. В следствии этого, дырки из p -области и электроны из n -области, будут двигаться навстречу друг другу, пересекая n –p -переход, что приведет к созданию тока в прямом направлении (Рис. 4).

Рисунок 4. Приложение напряжения к p–n-переходу

Так же в месте соприкосновения двух полупроводников (p – n переход), при приложении электричества, происходит рекомбинация электронов с дырками, при этом происходит высвобождение энергии в виде фотонов света (рис. 5).

Рисунок 5. Высвобождение энергии в виде фотонов света

В отличие от обыкновенного диода, светодиод имеет большую площадь соприкосновения в месте контакта двух полупроводников. Благодаря этому площадь рекомбинации больше, а следовательно выше интенсивнее свечение. Однако не каждый p – n переход способен высвобождать энергию в виде фотонов видимого спектра света. Это зависит от ширины запрещенной зоны, энергия преодоления которой должна быть соизмерима с энергией кванта видимого спектра света.

Цвет светодиодного свечения

Спектр цветового свечения светодиодов зависит исключительно от ширины запрещенной зоны p-n-перехода. Именно здесь происходит рекомбинация электронов и «дырок», с высвобождением фотонов света. Таким образом, физически цвет света светодиода зависит от материала полупроводника, и от легирующих его примесей. Чем «синее» свет светодиод, тем выше энергия квантов преодоления запрещенной зоны p-n-перехода, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. Из этого следует, что изменяя ширину запрещенной зоны p-n-перехода, можно получить свечение любого цвета радуги. А для того, чтобы получить белый цвет, необходимо комбинировать полученные цвета.

Способы получение белого цвета свечения светодиодов

Для получения белого цвета свечения светодиодов применяется три распространенных способа:
1) Смешивание цветов свечения согласно технологии RGB (рис. 6). Метод заключается в том, что на одной подложке плотно размещаются красный, синий и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается благодаря оптической системе, например пластиковой линзы. В следствие этого получается белый свет.

Рисунок 6. RGB технология изготовления светодиодов

2) За основу берутся три светодиода, которые излучают ультрафиолетовый свет. Далее на поверхность каждого из светодиодов наносится покрытие из люминофора синего, зеленого и красного цвета. Таким образом, люминофор начинает светиться тремя цветами, а при смешивании этого свечения линзой получается белый цвет.
3) За основу берется синий светодиод, на его поверхность наносится зеленый и красный (может быть желто-зеленый) люминофор. Таким образом, получается белое или близко к белому свечение.

Рисунок 7. Технология изготовления светодиодов с нанесением люминофора

У каждого способа получения белого свечения есть свои достоинства и недостатки.
Так, RGB технология, в дополнение ко всему, позволяет изменять цвет и температуру свечения светодиодов, путем изменяя силы тока на каждом из них. Кроме того, сосредоточенное размещение трех светодиодов в матрице позволяет получить высокий суммарный световой поток и световую мощность. Однако данная система не может обеспечить равномерность свечения всего светового пятна, так как в центре системы будет свечение ярче, чем по краям. Это обусловлено явлением аберрации оптической системы.
Изготовление светодиодов с использованием люминофора гораздо дешевле, чем RGB технология. Однако недостатком этой системы является быстрое старение люминофора (гораздо быстрее, чем кристалла светодиода) и сложность в равномерном нанесении люминофора на поверхность кристалла светодиода.

Электрические характеристики светодиодов

Светодиод – полупроводниковый прибор низковольтного потребления энергии. Диапазон питания обычных индикаторных светодиодов варьирует от 2 до 4 Вольт с потребляемым током до 50 мА. Светодиоды предназначенных для освещения помещений питаются тем же напряжением, однако потребляемый ток таких приборов значительно выше, и может достигать нескольких ампер. Иногда светодиодные модули, состоящие из отдельных светодиодов, включены последовательно, что увеличивает их суммарное напряжение питания.
Но, кроме того, что напряжение питания светодиодов низкое, оно должно быть еще и стабилизированное. Это связано с тем, что напряжение питания светодиода экспоненциально зависит от тока потребления (рис. 8). При небольшом увеличении напряжения, ток потребления увеличивается в разы, что может привести к перегреву прибора и выхода его из строя. Поэтому для стабилизации напряжения питания светодиода используют конвертеры или драйверы (предназначены для стабилизации тока).

Рисунок 8. Вольт-Амперная характеристика светодиодов

Регулировка яркости свечения светодиодов

Очень часто возникает необходимость в изменении яркости свечения светодиода. Данное действие ни в коем случае нельзя выполнять путем снижения напряжения питания светодиода. Это делается с помощью метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Данный метод заключается в изготовлении устройства, представляющего собой генератор импульсно-модулированного тока с частотой выходного сигнала от сотен до тысяч герц, с возможностью изменения ширины импульсов и пауз между ними. Таким образом, применив данный прибор, средняя яркость питаемого светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Срок службы светодиодов

Срок службы светодиодов зависит в основном от режима их эксплуатации. Если это маломощный диод индикаторного типа, то его срок службы очень велик. Это связано с тем, что протекающий через него ток мал и не разогревает физически спаренный p-n-переход. Мощные же светодиоды рассчитаны на срок службы в 20-50 тысяч часов. Из-за больших токов питания, p-n-переход сильно нагревается, расшатываются атомные решетка кристаллов, разрушая целостность p-n-перехода. Таким образом, старение светодиодов в конечном результате выражается в уменьшении их яркости. Так, если яркость светодиода снижается на 30% от его первоначальной яркости, то его необходимо заменить.

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 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

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.