Як працюють світлодіоди

Пристрій світлодіодної лампи, принцип роботи світлодіоду

Світлодіод є двопровідним напівпровідниковим джерелом світла. Коли відповідний струм подається на висновки, електрони здатні рекомбінувати з електронними дірками всередині пристрою, виділяючи енергію у вигляді фотонів. Цей ефект називається електролюмінесценцією, а колір світла визначається зазором енергетичної зони напівпровідника.

Що таке світлодіод

Світловипромінюючий діод є оптоелектронним пристроєм, здатним випромінювати світло, коли через нього проходить електричний струм. Світловипромінюючий діод тільки пропускає електричний струм в одному напрямку та виробляє некогерентне монохроматичне або поліхроматичне випромінювання від перетворення електричної енергії.

Він має кілька похідних:

Через світлову ефективність світлодіоди на сучасному етапі є 75% ринку внутрішнього та автомобільного освітлення. Вони використовуються при будівництві телевізорів із плоским екраном, а саме: для підсвічування РК-екранів або джерела електроенергії. Використовуються як основне освітлення в OLED-телевізорах.

Перші світлодіоди, що надійшли у продаж, виробляли інфрачервоне, червоне, зелене, а потім жовте світло. Вихід синього світлодіода, пов'язаний з технічним та монтажним прогресом, дозволяє покрити діапазон довжини хвилі випромінювання, що тягнеться від ультрафіолетового (350 нм) до інфрачервоного (2 тис. нм), що відповідає багатьом потребам. Багато пристроїв оснащені складовими світлодіодами (три в одному компоненті: червоний, зелений та синій) для відображення багатьох кольорів.

Світлодіодна лампа

Світлодіодні лампи – це світлотехнічні вироби для побутового, промислового та вуличного освітлення, в яких джерелом світла є світлодіоди. По суті, це набір світлодіодів і схеми живлення для перетворення мережної енергії на постійний струм низької напруги.

Світлодіодний світильник є окремим і самостійним пристроєм. Його корпус найчастіше індивідуальний за конструкцією та спеціально спроектований під різні джерела освітлення. Велика кількість ламп та їх малий розмір дозволяють розташувати їх у різних місцях, збирати панелі, використовувати для підсвічування дисплеїв, телевізорів.

Висвітлення загального призначення потребує білого світла. Принцип роботи світлодіодної лампи ґрунтується на випромінюванні світла у дуже вузькому діапазоні довжин хвиль: тобто з колірною характеристикою енергії напівпровідникового матеріалу, що використовується для виготовлення світлодіодів. Для випромінювання білого світла від світлодіодної лампи треба змішувати випромінювання від червоного, зеленого та синього світлодіодів або використовувати люмінофор для перетворення частин світла на інші кольори.

Один з методів - RGB (red, green, Blue), це використання декількох світлодіодних матриць, кожна з яких випромінює різну довжину хвиль, у безпосередній близькості, для створення загального білого кольору.

Історія створення перших ламп

Перше випромінювання світла напівпровідником датується 1907 роком та було відкрито Генрі Джозефом Раундом. У 1927 році Олег Володимирович Лосєв подав перший патент на те, що згодом називатиметься світловипромінюючим діодом.

В 1955 Рубін Браунштейн виявив інфрачервоне випромінювання арсеніду галію - напівпровідник, який пізніше буде використовуватися Ніком Холоньяком-молодшим і С.Беваккой для створення першого червоного світлодіода у 1962 році. Протягом кількох років дослідники обмежилися деякими кольорами, такими як червоний (1962), жовтий, зелений та пізніший синій (1972).

Внесок японських учених

У 1990-х роках дослідження Shuji Nakamura та Takashi Mukai of Nichia у напівпровідниковій технології InGaN дозволили створити сині світлодіоди високої яскравості, а потім адаптуватися до білих, додавши жовтий люмінофор. Це просування дозволило використовувати нові великі програми, такі як освітлення та підсвічування телевізійних екранів та РК-екранів. 7 жовтня 2014 року Шудзі Накамура, Ісаму Акасакі та Хіроші Амано отримали Нобелівську премію з фізики за роботу над блакитними світлодіодами.

Принцип роботи пристрою

Коли діод зміщений уперед, електрони швидко рухаються через з'єднання. Вони постійно поєднуються, видаляючи один одного. Незабаром після того, як електрони починають рух від n-типу до кремнію p-типу, діод з'єднується з отворами, а потім зникає. Отже, він робить повний атом більш стабільним та дає невеликий імпульс енергії у вигляді фотона світлі.

Принцип утворення світлової хвилі

Щоб розібратися як влаштований світлодіод, необхідно дізнатися про його матеріали та їх властивості. Світлодіод є спеціалізованою формою PN-переходу, яка використовує складову з'єднання. Складовим має бути напівпровідниковий матеріал, що використовується для з'єднання. Зазвичай матеріали, включаючи кремній і германій, є простими елементами, і з'єднання, виготовлене з цих матеріалів, не випромінює світло.Що ж до таких напівпровідників, як арсенід галію, фосфід галію та фосфід індія — вони є складовими, і з'єднання з цих матеріалів випромінюють світло.

Ці складові напівпровідники класифікуються за валентними зонами, які займають їх складові. Арсенід галію має валентність трьох, а миш'як — валентність п'яти. Це називають напівпровідником групи III-V. Існує низка інших напівпровідників, які відповідають зазначеній категорії. Є напівпровідники, що утворюються із матеріалів групи III-V.

Світловипромінюючий діод випромінює світло, коли він зміщений уперед. Коли напруга накладається на з'єднання, щоб змусити його зміщуватися вперед, струм тече, як і будь-якого PN-з'єднання. Отвори з області р-типу та електрони з області n-типу входять у з'єднання і рекомбінують як нормальний діод, щоб забезпечити протікання струму. Коли це відбувається, виділяється енергія.

Виявлено, що більшість світла виходить з області переходу ближче до області Р-типу. Конструкція діодів виконана таким чином, що ця область знаходиться якомога ближче до поверхні пристрою для поглинання конструкцією мінімальної кількості світла.

Щоб отримати світло, яке можна побачити, з'єднання слід оптимізувати, а матеріали мають бути правильними. Чистий арсенід галію виділяє енергію в інфрачервоній частині спектра. Для приведення світлової емісії алюміній додається до напівпровідника видимий червоний спектр з подальшим отриманням арсеніду аргіциду галію (AlGaAs). Можна додати фосфор, щоб отримати червоне світло. Для інших кольорів використовують інші матеріали.Наприклад, фосфід галію дає зелене світло, а фосфід алюмінію кальцію використовується для отримання жовтого та оранжевого світла. Більшість світлодіодів ґрунтуються на галієвих напівпровідниках.

Квантова теорія

Потік струму у напівпровідниках обумовлений обома потоками вільних електронів у протилежному напрямку. Отже, буде рекомбінація через поток цих носіїв заряду.

Рекомбінація показує, що електрони у зоні провідності спускаються до валентної зони. Коли вони перескакують з однієї смуги до іншої, то випромінюють електромагнітну енергію у вигляді фотонів, а енергія фотона дорівнює забороненій енергетичній щілині.

Відображено математичне рівняння:

H відома як стала Планка, а швидкість електромагнітного випромінювання дорівнює швидкості світла. Частотне випромінювання пов'язане зі швидкістю світла як f = c/λ. λ позначається як довжина хвилі електромагнітного випромінювання, а рівняння стане таким:

Виходячи з цього рівняння можна зрозуміти, як працює світлодіод, ґрунтуючись на тому, що довжина хвилі електромагнітного випромінювання обернено пропорційна забороненій щілині. У цілому нині повне випромінювання електромагнітної хвилі при рекомбінації має вигляд інфрачервоного випромінювання. Неможливо побачити довжину хвилі інфрачервоного випромінювання, тому що вона знаходиться поза видимим діапазоном.

Інфрачервоне випромінювання називається теплотою, тому що кремній та германієві напівпровідники не є прямими щілинними напівпровідниками, а відносяться до непрямих проміжних різновидів. Але в напівпровідниках з прямим зазором максимальний рівень енергії валентної зони та мінімальний рівень енергії зони провідності не відбувається одномоментно з електронами.Тому під час рекомбінації електронів і дірок відбувається міграція електронів із зони провідності до валентної зони, і імпульс електронної зони буде змінено.

Переваги та недоліки

Як і будь-який пристрій світлодіод також має ряд своїх особливостей, основні переваги та недоліки.

Головні переваги виглядають так:

Невеликі розміри: наприклад, можна виготовляти світлодіоди розміром із піксель (що відкриває можливість використання діодів для створення екранів з високою роздільною здатністю).
Простота складання на друкованій платі, традиційна або CMS (компонент із поверхневим монтажем).
Споживання електричної енергії нижче, ніж у лампи розжарювання, того ж порядку величини, що і люмінесцентні лампи.
Відмінна механічна стійкість.
Збираючи кілька світлодіодів, можна досягти гарного освітлення за допомогою інноваційних форм.
Тривалість життя (приблизно від 20 000 до 50 000 годин) є набагато довшою, ніж звичайна лампа розжарювання (1 тис. годин) або галогенна лампа (2 тис. годин). Той самий порядок величини, як і в люмінесцентних ламп (від 5 тис. до 70 000 годин).
Дуже низька напруга, гарантія безпеки та легкість транспортування. Для відпочиваючих є світлодіодні ліхтарики, що живляться простим ручним динамомедленним рухом (кривошипна лампа).
Світлова інерція майже нульова. Діоди включаються і вимикаються за дуже короткий час, що дозволяє використовувати при передачі ближнього сигналів (оптопари) або далекого (оптичного волокна) сигналів. Вони одразу досягають своєї номінальної сили світла.
Завдяки своїй потужності класичні 5-міліметрові світлодіоди ледь нагріваються та не можуть обпекти пальці.
Світлодіоди RGB (червоно-зелений-синій) дозволяють використовувати кольорові покращення з необмеженими можливостями варіацій.

З недоліків можна відзначити такі:

Світлодіоди, як і будь-який електронний компонент, мають максимальні межі робочої температури, а також деякі пасивні компоненти, що становлять їхню схему живлення (наприклад, хімічні конденсатори, які нагріваються залежно від середньоквадратичного струму). Тепловіддача компонентів світлодіодних лампочок є фактором, що обмежує збільшення їхньої потужності, особливо в багаточипових зборках.
За словами виробника Philips, світлова ефективність деяких світлодіодів швидко знижується. Температура прискорює падіння світлової ефективності. Philips також вказує, що колір може змінюватися на деяких білих світлодіодах і світиться зеленим, коли вони стають старшими.
Процес виготовлення світлодіода дуже енерговитратний. Знаючи основні характеристики світлодіодів, їх переваги та недоліки, можна зробити вибір - або придбати їх, або відмовитися від покупки та користуватися звичайними лампами розжарювання. Проте враховуючи економічність такого освітлення, варто замислитися над тим, що воно може стати гарною альтернативою звичним, дешевшим джерелам світла.

Пристрій світлодіодної лампи, принцип роботи світлодіоду

Що таке світлодіод

Він має кілька похідних:

Світлодіодна лампа

Світлодіодні лампи – це світлотехнічні вироби для побутового, промислового та вуличного освітлення, в яких джерелом світла є світлодіоди. По суті, це набір світлодіодів і схеми живлення для перетворення мережної енергії на постійний струм низької напруги.

Світлодіодний світильник є окремим і самостійним пристроєм. Його корпус найчастіше індивідуальний за конструкцією та спеціально спроектований під різні джерела освітлення.Велика кількість ламп та їх малий розмір дозволяють розташувати їх у різних місцях, збирати панелі, використовувати для підсвічування дисплеїв, телевізорів.

Історія створення перших ламп

Перше випромінювання світла напівпровідником датується 1907 роком та було відкрито Генрі Джозефом Раундом. У 1927 році Олег Володимирович Лосєв подав перший патент на те, що згодом називатиметься світловипромінюючим діодом.

У 1955 році Рубін Браунштейн виявив інфрачервоне випромінювання арсеніду галію — напівпровідник, який пізніше використовуватиметься Ніком Холоньяком-молодшим та С. Беваккою для створення першого червоного світлодіода у 1962 році. Протягом кількох років дослідники обмежилися деякими кольорами, такими як червоний (1962), жовтий, зелений та пізніший синій (1972).

Внесок японських учених

У 1990-х роках дослідження Shuji Nakamura та Takashi Mukai of Nichia у напівпровідниковій технології InGaN дозволили створити сині світлодіоди високої яскравості, а потім адаптуватися до білих, додавши жовтий люмінофор.Це просування дозволило використовувати нові великі програми, такі як освітлення та підсвічування телевізійних екранів та РК-екранів. 7 жовтня 2014 року Шудзі Накамура, Ісаму Акасакі та Хіроші Амано отримали Нобелівську премію з фізики за роботу над блакитними світлодіодами.

Принцип роботи пристрою

Принцип утворення світлової хвилі

Щоб розібратися як влаштований світлодіод, необхідно дізнатися про його матеріали та їх властивості. Світлодіод є спеціалізованою формою PN-переходу, яка використовує складову з'єднання. Складовим має бути напівпровідниковий матеріал, що використовується для з'єднання. Зазвичай матеріали, включаючи кремній і германій, є простими елементами, і з'єднання, виготовлене з цих матеріалів, не випромінює світло. Що ж до таких напівпровідників, як арсенід галію, фосфід галію та фосфід індія — вони є складовими, і з'єднання з цих матеріалів випромінюють світло.

Щоб отримати світло, яке можна побачити, з'єднання слід оптимізувати, а матеріали мають бути правильними. Чистий арсенід галію виділяє енергію в інфрачервоній частині спектра. Для приведення світлової емісії алюміній додається до напівпровідника видимий червоний спектр з подальшим отриманням арсеніду аргіциду галію (AlGaAs). Можна додати фосфор, щоб отримати червоне світло. Для інших кольорів використовують інші матеріали. Наприклад, фосфід галію дає зелене світло, а фосфід алюмінію кальцію використовується для отримання жовтого та оранжевого світла. Більшість світлодіодів ґрунтуються на галієвих напівпровідниках.

Квантова теорія

Потік струму у напівпровідниках обумовлений обома потоками вільних електронів у протилежному напрямку. Отже, буде рекомбінація через поток цих носіїв заряду.

Рекомбінація показує, що електрони у зоні провідності спускаються до валентної зони.Коли вони перескакують з однієї смуги до іншої, то випромінюють електромагнітну енергію у вигляді фотонів, а енергія фотона дорівнює забороненій енергетичній щілині.

Відображено математичне рівняння:

Інфрачервоне випромінювання називається теплотою, тому що кремній та германієві напівпровідники не є прямими щілинними напівпровідниками, а відносяться до непрямих проміжних різновидів. Але в напівпровідниках з прямим зазором максимальний рівень енергії валентної зони та мінімальний рівень енергії зони провідності не відбувається одномоментно з електронами. Тому під час рекомбінації електронів і дірок відбувається міграція електронів із зони провідності до валентної зони, і імпульс електронної зони буде змінено.

Переваги та недоліки

Як і будь-який пристрій світлодіод також має ряд своїх особливостей, основні переваги та недоліки.

Головні переваги виглядають так:

Невеликі розміри: наприклад, можна виготовляти світлодіоди розміром із піксель (що відкриває можливість використання діодів для створення екранів з високою роздільною здатністю).
Простота складання на друкованій платі, традиційна або CMS (компонент із поверхневим монтажем).
Споживання електричної енергії нижче, ніж у лампи розжарювання, того ж порядку величини, що і люмінесцентні лампи.
Відмінна механічна стійкість.
Збираючи кілька світлодіодів, можна досягти гарного освітлення за допомогою інноваційних форм.
Тривалість життя (приблизно від 20 000 до 50 000 годин) є набагато довшою, ніж звичайна лампа розжарювання (1 тис. годин) або галогенна лампа (2 тис. годин). Той самий порядок величини, як і в люмінесцентних ламп (від 5 тис. до 70 000 годин).
Дуже низька напруга, гарантія безпеки та легкість транспортування. Для відпочиваючих є світлодіодні ліхтарики, що живляться простим ручним динамомедленним рухом (кривошипна лампа).
Світлова інерція майже нульова. Діоди включаються і вимикаються за дуже короткий час, що дозволяє використовувати при передачі ближнього сигналів (оптопари) або далекого (оптичного волокна) сигналів. Вони одразу досягають своєї номінальної сили світла.
Завдяки своїй потужності класичні 5-міліметрові світлодіоди ледь нагріваються та не можуть обпекти пальці.
Світлодіоди RGB (червоно-зелений-синій) дозволяють використовувати кольорові покращення з необмеженими можливостями варіацій.

З недоліків можна відзначити такі:

Світлодіоди, як і будь-який електронний компонент, мають максимальні межі робочої температури, а також деякі пасивні компоненти, що становлять їхню схему живлення (наприклад, хімічні конденсатори, які нагріваються залежно від середньоквадратичного струму). Тепловіддача компонентів світлодіодних лампочок є фактором, що обмежує збільшення їхньої потужності, особливо в багаточипових зборках.
За словами виробника Philips, світлова ефективність деяких світлодіодів швидко знижується. Температура прискорює падіння світлової ефективності. Philips також вказує, що колір може змінюватися на деяких білих світлодіодах і світиться зеленим, коли вони стають старшими.
Процес виготовлення світлодіода дуже енерговитратний. Знаючи основні характеристики світлодіодів, їх переваги та недоліки, можна зробити вибір - або придбати їх, або відмовитися від покупки та користуватися звичайними лампами розжарювання. Проте враховуючи економічність такого освітлення, варто замислитися над тим, що воно може стати гарною альтернативою звичним, дешевшим джерелам світла.