Что такое светодиод простыми словами
Что такое светодиод (устройство, параметры, маркировка)
Светодиод (led) – это полупроводниковый элемент, в котором при прохождении электрического тока создается видимое глазу оптическое излучение. В настоящее время такие устройства используются практически в любом приборе: телефоны, бытовая техника, автомобили, светильники и многие другие. Led-элементы потребляют гораздо меньше энергии, что важно для энергосбережения.
Разные типы светодиодов.
История создания светодиода.
Она насчитывает всего чуть больше ста лет. Первое упоминание о свечении диода относится к 1907 году. Английский физик Генри Раунд заметил разноцветное излучение при течении электричества через соединения карбид кремния-металл. Такое явление получило название электролюминесценция.
Спустя почти двадцать лет в 1923 году российский ученый Олег Лосев проводил подобные эксперименты в Нижнем Новгороде. Физик обнаружил свечение на месте контакта карбида кремния и стальной проволоки. Лосев опубликовал результаты своих исследований, и обосновал, что электролюминесценция наблюдается именно на границе соприкосновения разнородных материалов. Теоретическую базу под открытие подвести не смогли, и дальнейшего развития оно не получило. Хотя Лосев предсказал использование электролюминесценции для создания маломощных и миниатюрных источников света. Физик даже придумал конструкцию светового реле, но дальше исследования не продолжились.
В 1961 году, еще через сорок лет, американские изобретатели Д. Р. Байард и Г. Питтман придумали технологию выпуска светодиодов из арсенида галлия. В 1962 году они получили патент, и начался промышленный выпуск. Однако, их led-элемент испускал инфракрасное излучение, то есть был не видим человеческому глазу.
Но в том же 1962 году американский физик Ник Холоньяк изобрел красный светодиод. В 1971 году его соотечественник Жак Панков придумал синий. А в 1972 Джордж Крафорд открыл желтый led.
Впрочем, до семидесятых годов XX века светоизлучающие диоды оставались очень дорогими. Фирма «Монсанто» первой в мире удалось организовать массовое производство led в качестве индикатора.
В семидесятых годах группе советских ученых под начальством Ж. Алферова удалось синтезировать неизвестные до этого полупроводниковые вещества. Их начали получать на предприятиях и в лабораториях. А на основе этих соединений запустили серийное изготовление светодиодов.
В 1983 году Citizen Electronics придумала и внедрила на своих предприятиях светодиоды плоской конструкции (SMD).
В девяностые годы японские ученые И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамура придумали, как значительно удешевить производство синих led. Технологию успешно опробовала фирма Nichia с 1993 года. А с 1996 года они начали изготовление белых led-элементов, чей свет получается из сочетания красного, синего и зеленого. В дальнейшем на базе открытия японских ученых стали стремительно развиваться новые методы производства световой техники: лампочек, дисплеев с подсветкой и других приборов.
В 2003 Citizen Electronics придумали новейшую технологию производства СОВ (Chip-On-Board). Она заключается в монтаже полупроводникового элемента на подложку при помощи специального непроводящего клея.
Очевидно, что история светоизлучающих диодов только набирает обороты, а технологии становятся все более совершенными.
Для создания разных цветов потребовалось много времени.
Принцип работы.
Схема появления излучения.
Под воздействием электричества электроны из n-слоя и дырки из р-слоя начинают двигаться к р-n-переходу. Происходит рекомбинация дырки и электрона — между р-n-границей протекает ток. Электроны переходят на низший энергетический уровень, с высоких орбиталей на более низкие. Освобождается энергия, которая излучается в виде фотонов.
Описанный процесс протекает во всех полупроводниковых диодах. Но длина волны фотона не всегда находится в заметном человеческому глазу спектре. Для появления видимости необходимо движение элементарных частиц в определенном интервале: от 400 до 700 нм. Это достигается подбором определенных химических веществ. У каждого есть особая длина волны и цвет излучения.
Самые удачные материалы получаются из соединений типа A III B V и A II B VI где II, III, V и VI – валентности элементов. Например, уже упоминавшийся арсенид галлия, фосфат индия или селенид цинка и теллурид кадмия. Подобные соединения называют прямозонными. Возможно получение разнообразных по свечению светодиодов: от ультрафиолетовых до инфракрасных.
К другой группе относятся непрямозонные полупроводники. Это карбид кремния, сам кремний, германий и другие. Диоды из них свет светят очень неярко. Впрочем, научные работы по использованию таких веществ продолжаются. Основные поиски решения ведутся в области технологий квантовых точек и фотонных кристаллов.
Кроме света при p-n-переходе освобождается еще и тепло. Для его отвода необходим теплоотвод (часто в этой роли выступает корпус изделия) или радиатор.
Виды и характеристики светодиодов.
Светоизлучающие диоды различают по конструкции корпуса:
Независимо от исполнения корпуса выделяют светодиоды:
Пропорциональное смешение цветов дает всевозможные оттенки света. Например, при включении на 100% красного и зеленого получится желтый.
Также led-элементы подразделяются на:
Инфракрасные диоды. Благодаря специально подобранным материалам проводников они испускают невидимые глазу инфракрасные лучи. Они безвредны для живых существ, но заметны для электронных систем регистрации. Востребованы во многих технических устройствах и станках во всевозможных отраслях промышленности.
Индикаторные led-диоды. Выступают в роли индикаторов для техники, подсветок дисплеев и т.п. Их делят по типу используемых полупроводников на:
Независимо от вида светодиоды характеризуются некоторыми параметрами.
Цвет излучения. Обусловлен химическим составом полупроводников. Некоторые вещества и соответствующие им цвета обозначены в таблице.
Яркость. Она пропорциональна силе тока, текущей сквозь элемент. Среди led-диоды, которые светят белым светом, выделяют яркие (20-25 милликандел) и сверхяркие (свыше 20 тысяч милликандел).
Сила тока. Светодиоды весьма чувствительны к силе тока. При превышении ее значения выше номинального led может перегореть. Поэтому не рекомендуется превышать максимальный прямой ток элемента. Точные значения для конкретного светодиода приводятся в техническом описании.
Падение напряжения. Характеризует допустимую разницу между величинами входного и выходящего напряжения. У значения напряжения для светодиодов есть максимальное значение, превышение которого приведет к поломке led. Значения указываются в техническом описании.
Угол рассеивания света. Определяется формой линзы, конструкцией кристалла и от используемых для изготовления кристалла веществ. Может меняться от 15 до 180 градусов.
Устройство светодиода.
Led-диод состоит из полупроводникового кристалла, который закреплен на подложке, корпуса с контактами и оптической системы.
Устройства индикаторных (DIP), плоских (SMD) и СОВ элементов различаются снаружи.
Конструктивное устройство DIP.
DIР-светодиод в разрезе.
В основании прибора монтируются контакты. Кристалл (один или несколько) закреплен на катоде. К кристаллу присоединяется проволока. Она соединяет полупроводники с анодом. Это необходимо для группировки двух проводников с различными типами проводимости. Сверху led-элемент герметично покрывается линзой. Корпус устройства изготавливается в виде цилиндра из эпоксидной смолы, край которого обрезан со стороны катода. Монтаж led-элемента происходит путем пайки длинных выводов.
Конструктивное устройство SMD.
SMD-светодиод в разрезе.
Корпус изготавливается параллелепипедом. Его основа – теплоотвод от кристалла. На нее монтируется полупроводниковый элемент. Контактный провод соединяет его с анодом. Контакты выполняются плоскими. Сверху элемент герметично накрывается линзой.
Конструктивное устройство СОВ.
COB-технология – новейшее направление в производстве.
Такие светоизлучающие диоды имеют в основании теплопроводящую подложку (обычно алюминиевую). На нее непроводящим клеем закрепляют полупроводниковые кристаллы, которые объединены по последовательно-параллельной схеме. Сверху все покрывается люминофором.
Такой тип led легко монтируется, выдает хороший световой поток и не искажает цвета. Востребованы в производстве небольших, ярких прожекторов и декоративной подсветки. В отличие от DIP и SMD способны работать при повышенных температурах. Но из-за своего устройства имеют меньший срок эксплуатации по сравнению.
Если на одной подложке смонтировано множество кристаллов, то такой led-элемент называется светодиодной матрицей.
Конструктивное устройство PCB Star.
Состоит из одного большого кристалла, который монтируется на алюминиевую подложку в форме звезды. За счет увеличенной площади кристалла повышается мощность светодиода. Упрощается его фокусировка. Поэтому РCB Star востребованы в производстве ярких источников света: от фонариков до прожекторов.
Вольт-амперная характеристика светодиода.
Она имеет нелинейный характер. Led начинает пропускать ток с определенного значения напряжения. Оно называется пороговым. Пороговый вольтаж определяется химическими соединениями полупроводников.
Синяя кривая описывает протекание электричества при прямом включении. Красная кривая — при обратном включении.
U MAX и U MAXОБР – предельно допустимые значения напряжений. При их превышении элемент сгорает.
U MIN – минимальное величина напряжения. Начинается свечение.
Интервал между минимальным и максимальным — рабочая зона. Именно в ней диод светоизлучается.
I MAX – предельное допустимое значение тока. При превышении светодиод перегорает.
Подключение светодиода.
Самым простым случаем подключения светодиода является подключение с резистором. Последний необходим для токоограничения, чтобы исключить перегорание led при скачках напряжения.
При подключении led-элементов по любой схеме не забывайте придерживаться полярности! Иначе полупроводниковый прибор не будет светить и перегорит.
Электрическая схема соединения светодиода (LED) и резистора (R).
При соединении нескольких светоизлучающих диодов возможны разные варианты их соединения.
Последовательное подключение.
Схема последовательного соединения.
Элементы соединяются последовательно с учетом полярности. В цепи значение тока постоянно, а напряжение на led-элементах суммируется.
Параллельное соединение.
В этом случае постоянным в цепи сохраняется напряжение, а силы тока на элементах складываются. У данного типа соединения есть недостаток. На разных светодиодах может быть неодинаковое падение напряжения. Поэтому ток на каком-нибудь элементе может превысить допустимый, что приведет к поломке.
Во избежание этого следует подключать к каждой параллельной цепи свой резистор.
Схема параллельного подключения.
Параллельно-последовательное соединение.
При подключении большого количества светодиодов стоит использовать параллельно-последовательную электрическую схему. При этом в параллельных ветках напряжение одинаковое.
Электрическая схема параллельно-последовательного соединения.
Производители светодиодов
В рейтинге производителей лидируют несколько фирм с мировым именем. Именно они выпускают самые качественные изделия на рынке.
Из российских производителей можно отметить «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». Обе фирмы располагаются в Санкт-Петербурге и производят светотехнические изделия. Впрочем, кристаллы для выпуска продукции закупаются за рубежом.
Цветовая маркировка.
Маркировка led в мире не стандартизирована. Изготовитель сам решает, что он будет обозначать на корпусе.
Светодиоды российского производства маркируются цветовым кодом. Он состоит из цветных кружочков или черточек. Примеры маркировки приведены ниже на рисунке.
Цветовая маркировка российских индикаторных светодиодов.
Рассмотрим маркировку известных мировых производителей.
В качестве примера возьмем модель Luxeon Rebel. Она маркируется LXML-ABCD-EFGH. В этой аббревиатуре зашифровано следущее:
Фирма предлагает обозначение SSSCCC-BD-0000-NNNNN, где:
Достоинства и недостатки светодиодов
Интересные факты.
Получение белого цвета. Есть три варианта. Первый – по технологии RGB. Включение всех трех цветов на 100% дает белый цвет. Во втором случае на линзу наносят три люминофора: голубой, красный и зеленый. Третий вариант заключается в нанесении красного и зеленого люминофора на оптическую систему голубого светодиода.
Работа при повышенных температурах. С ростом температуры в области p-n-перехода уменьшается яркость свечения. Причем у красных и желтых падение яркости больше, чем у синих и зеленых. Поэтому нужно использовать хороший теплоотвод и не допускать эксплуатации led при повышенных температурах.
Как готовят полупроводники? В основном по технологии металлоорганической эпитаксии в атмосфере особо чистых газов. Выращиваются пленки толщиной от ангстремов до микрон. Разные слои легируются примесями, которые дадут слою высокую концентрацию электронов или дырок, то есть сформируют n или p структуру полупроводника. Зачем пленки травят, создают контакты к n и p слоям и делят на чипы нужных размеров.
Чем хороша СОВ-технология? Тем, что кристаллы монтируются на металлическую подложку, которая одновременно выполняет функции радиатора. Таким образом получают отличный теплоотвод непосредственно от полупроводникового кристалла. Дополнительно можно получить разную форму светодиода, разную гибкость и и.п.
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.
Применение:
Осветительный прибор на основе светодиодов состоит из:
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.
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:
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.
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.
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.
Chip On Board (COB) светодиоды имеют большое количество кристаллов на одной подложке. Также их называют светодиодной матрицей. Сверху заливается люминофором.
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:
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:
К недостаткам относятся:
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.
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.