Светодиоды принцип действия, виды, характеристики, применение

Привет, Вы узнаете о том , что такое светодиод, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое светодиод, светодиоды , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.

светодиод - полупроводниковый излучающий прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового (электромагнитного) излучения. Используются светодиоды в оптических линиях связи, модуляторах, индикаторных устройствах, в оптопарах и т.д.

В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Излучение обусловлено неравновесными носителями и сосредоточено в p-n переходе и прилегающих к нему областях.

Обозначение на схемах

История светодиодов

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом[en] из Маркони Лабс[en]. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил желтое, зеленое и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» еще не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов/ Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твердотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.)[

В 1961 году Джеймс Роберт Байард (англ.)русск. и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли технологию инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия (GaAs). После получения патента в 1962 году началось их промышленное производство.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд (англ.)русск., изобрел первый в мире желтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод . Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алферова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных и светодиодов . После этого началось серийное промышленное производство светодиодов. Открытие было удостоено Нобелевской премий в 2000 году . В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED .

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода (LED). За открытие дешевого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике[10][11]. В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск, а в 1996 начала выпуск белых светодиодов[.

Синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Одно из главных требований, предъявляемых к индикаторным светодиодам, излучение света в видимом участке спектра. Поскольку в светодиодах основную роль играет межзонная излучательная рекомбинация, необходимая ширина запрещенной зоны полупроводников, вычисленная для энергии фотонов видимого диапазона, должна быть . Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника ток рекомбинации через p-n переход оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, т.е. процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в p-n переходе.

Рис.1

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяют арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия (GaAs1-хPх), где , и ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений. Использование этих материалов позволяет создать светодиоды, работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. КПД рассматриваемых приборов в основном зависит от внутреннего квантового выхода . Вероятность излучательной рекомбинации, определяющая внутренний квантовый выход, непосредственно связана с видом переходов в используемом полупроводнике. Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми переходами во много раз больше, чем с непрямыми.

Рис.2

Светодиоды на основе фосфида галлия. На Рис.1 (кривая x=1,0) представлена энергетическая диаграмма фосфида галлия, где минимумы энергии дна зоны проводимости при значении импульса соответствуют прямым переходам (ширина запрещенной зоны 2,8эВ), а при - непрямым переходам (=2,26 эВ). Следовательно, чистый фосфид галлия GaP относится к непрямозонным полупроводникам. Его квантовый выход незначителен, однако он широко используется для изготовления светодиодов, так как обеспечивает излучение в видимой области спектра, что особенно важно в индикаторных устройствах. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Для увеличения эффективности излучательных процессов в непрямозонных полупроводниках внедрением примесей создают рекомбинационные центры - ловушки. При введении разных элементов образуются два типа ловушек - донорного и акцепторного типов. Излучательные переходы между донорными и акцепторными ловушками позволяют получить генерацию света на различных длинах волн (Рис.2, 3).При внедрении цинка, кадмия и кислорода реализуется красное излучение; кадмия, серы и азота - зеленое (см. Рис.2). Физические явления, происходящие в фосфиде галлия при наличии примесей, можно проиллюстрировать на примере легирования азотом. Азот замещает атомы фосфора в узлах кристаллической решетки. Азот и фосфор являются элементами одной группы периодической системы и имеют одинаковую внешнюю, но различную внутреннюю электронные структуры. Различие в строении приводит к возникновению энергетического уровня ловушки вблизи з

Рис.3

оны проводимости. Инжектированные из n- в р-область светодиода электроны попадают сначала на уровни ловушек, которые затем захватывают дырку из валентной зоны. В результате фотоны рождаются с энергией, примерно равной разности между энергией запрещенной зоны и энергией связи атома ловушки.

Рис.4

Зависимость внутреннего квантового выхода (в относительных единицах) от энергии излучаемых фотонов представлена на Рис.3. Полный КПД светодиода, излучающего зеленый свет, приблизительно равен 0.1%, а излучающего красный - 3%. Хотя КПД светодиодов с зеленым свечением мал, они применяются в индикаторной технике, поскольку чувствительность глаза к зеленому свету в 30 раз выше, чем к красному.

Светодиоды на основе арсенида галлия. При увеличении фосфора в решетке арсенида галлия изменяется энергетическая диаграмма полупроводника (см. Рис.1). При х=0 энергетическая диаграмма (кривая1) соответствует чистому арсениду галлия, а при х=1 чистому фосфиду галлия. При возрастании x от 0 до 0,45 ширина запрещенной зоны соединения увеличивается с 1,42 эВ до 1,98 эВ (Рис.4). В светодиодах на основе таких материалов преобладают прямые переходы (кривая 1 на Рис.4). Дальнейшее увеличение содержания фосфора приводит к непрямым переходам (кривая 2 на Р

Рис.5

ис.4), что вызывает уменьшение вероятности межзонной излучательной рекомбинации и, соответственно, внутреннего квантового выхода (кривая 1 на Рис.5). Для увеличения эффективности излучательной рекомбинации в фосфид арсенида галлия, как и в фосфид галлия, вводят примеси. На Рис.5 проиллюстрировано влияние азота на величину внешней квантовой эффективности ф, представляющей собой отношение количества фотонов, излученных светодиодом, к количеству носителей заряда, протекающих через его электрический переход.

Параметры светодиодов

К основным параметрам светодиодов относятся:

Яркость В (кд/м2) характеризует свечение светодиода в избранном направлении. Для светодиодов яркость составляет несколько сот кд/м2.

Минимальное прямое рабочее, или пороговое, напряжение Uпор светодиода определяется энергией излучаемых фотонов; например, для зеленого света энергия фотона - 2,2 эВ, а пороговое напряжение - 2,4 эВ.

Максимальные рабочее напряжение ограничивается допустимой мощностью рассеяния светодиода. Оно в основном зависит от контактной разности потенциалов p-n перехода и сопротивления базы. Указанные напряжения определяют и соответствующие токи светодиода.

Постоянные времени нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении светодиодов характеризуют их инерционные свойства. Эти параметры измеряются между значениями яркости, составляющими 0,1 и 0,9 максимальной величины. Инерционность светодиодов определяется временем перезаряда емкости прибора. Для светодиодов значения постоянных времени составляют доли микросекунд.

КПД зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции светодиодов. Потери энергии связаны с поглощением света в полупроводнике, контактах и элементах конструкции прибора.

И другие общеизвестные, такие как: мощность излучения, длительность волны излучаемого света или его цвет, наибольший прямой или импульсный ток, долговечность и др.

Основные характеристики светодиодов

К ним относятся:

-

Рис.6

Яркостная характеристика - это зависимость яркости В от тока через р-n переход. Вид яркостной характеристики зависит от структуры p-n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых токах и, соответственно, малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны, т.е. при U=Uпор (напряжению Uпор соответствует Iпор на (Рис.6.б). Рост напряжения (тока) увеличивает число рекомбинирующих с излучением носителей, и яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, в результате уменьшается квантовый выход и наклон характеристики к оси абсцисс становится меньше.

- Спектральная характеристика – это зависимость интенсивности светового потока (яркости или мощности, или силы света, или энергии) от длины волны. На (Рис.6.а) представлены спектральные характеристики, дающие зависимость относительной мощности от длины волны излучения, для светодиода из фосфида галлия (кривая 1) и фосфида арсенида галлия (кривая 2).

- Вольт-амперная характеристика I=(U) – совпадает с ВАХ обычного диода.

Рис.7

Конструктивное исполнение светодиодов

Конструктивное исполнение светодиодов сильно влияет на величину внешнего квантового выхода, а следовательно, и на КПД прибора. Из-за высокого коэффициента преломления исходного материала светодиодов большая часть света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводник-воздух. В результате из-за многократных переотражений от границ (Рис.7) происходит поглощение света в полупроводнике, и только малая часть энергии излучения выходит из светодиодов простейшей плоской конструкции.

Светодиоды на основе фосфида арсенида галлия (см. Рис.8) получают наращиванием эпитаксиального слоя 2 на подложку из арсенида галлия 1. Излучаемый в области p-n перехода З свет падает на подложку 1 и частично поглощается, что приводит к дополнительным потерям энергии. С улучшением технологии эпитаксиальный слой 2 выращивают на прозрачной подложке из фосфида галлия с отражающим нижним покрытием. Это увеличивает выход полезного излучения. Внешний квантовый выход можно также увеличить за счет применения более сложных конструкций светодиодов.

Рис.8

На рис 8 приведен пример устройства такого светодиода, у которого 3 n- база, выполненная в виде полусферического монокристалла полупроводника, 1 и 2 металлические контакты, 4 эмиттер. Для повышения КПД светодиодов применяют прозрачные полусферические покрытия из стекла и пластмасс с высоким показателем преломления, просветляющие (прозрачные для излучаемых волн) покрытия внешней поверхности прибора и т.д.

Для получения излучения различного цвета в индикаторах или индикаторных матрицах светодиоды могут иметь несколько переходов. П

Рис.9

ример двойной диодной структуры, которая излучает красный или зеленый свет, либо тот и другой одновременно, изображен на Рис.9, где 1 и 3 - контакты к р- областям диода, генерирующим соответственно красный и зеленый свет; 2 - n- GaP подложка; и 4 и 6 - р-n переходы; 5 - общий контакт.

На практике используются также приборы на основе чистого арсенида галлия с излучением инфракрасного света (=900 нм), нитрида галлия - голубого света и другие материалы, по своим характеристикам уступающие рассмотренным.

Высокая надежность, большой срок службы (долговечность), малые рабочие напряжения и потребляемые мощности, небольшие масса и габариты светодиодов обусловили их широкое применение в устройствах самого различного назначения.

Цвета и материалы

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде и материал:

Органические светодиоды — OLED

Многослойные тонкопленочные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зеленый» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, для создания приборов ночного видения.

Преимущества светодиодов

По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами[22] и металлогалогенными лампами, достигнув 146 люмен на ватт[23].
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы (при достаточном охлаждении) — от 30 000 до 100 000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе происходит «деградация» кристалла и постепенное падение яркости.
• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
• Спектр современных белых светодиодов бывает различным — от теплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
• Спектральная чистота, достигаемая не фильтрами, а принципом устройства прибора.
• Отсутствие инерционности — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-люминофорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3—10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения, при должном охлаждении низкая температура светодиода, обычно не выше 60 °C.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.
• срок службы, измеряемый десятилетиями;
• работают при низком напряжении, то есть электробезопасны;
• отсутствие компонентов, вредных для окружающей среды (ртуть и др.), в отличие от люминесцентных ламп;
• высокая механическая прочность, вибростойкость;
• моментальное включение светодиодов после подачи на них напряжения дает возможность включать и выключать их практически с неограниченно большой частотой;
• новейшие достижения в технологии изготовления светодиодов позволяют получать все цвета видимого спектра;
• компактность, малые размеры

Недостатки светодиодов

• дороговизна

• узкий спектральный диапазон излучаемых электромагнитых волн(света)
• ток питания необходимо стабилизировать (из-за крутизны характеристики)

Применение светодиодов

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента).
• В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах).
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках, информационных табло. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами.
• В оптопарах.
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях, прожекторах, светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях.
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет[24]).
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры, планшеты и т. д.).
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
• В растениеводстве, так называемые фитолампы, оптимизированные под фотосинтез. В северных странах перспективная замена освещения в теплицах.

Исследование, описанное в статье про светодиод, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое светодиод, светодиоды и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры