Если мы переведем с английского словосочетание light emitting diode (сокращенно LED), то получим красивое и романтичное предложение: «Диод, излучающий свет». Так что же это такое? Это такой полупроводниковый девайс, как сейчас модно говорить, который трансформирует привычный нам электрический ток в то самое излучение светом. Светодиод творит чудеса и, в какой-то мере, получается.
Но так было не всегда. На первых этапах развития, мир светодиодов был ограничен и они использовались как показатель индикации. Но технологии не стоят на месте, и есть прогнозы экспертов, которые говорят что светодиод в ближайшие два десятилетия полностью вытеснит привычные нам лампы накаливания и даже энергосберегающие лампы.
Как и из чего сделан?
Светодиод имеет корпус с выводами для контактов, внутри его есть подложка с кристаллом из полупроводника и оптической специальной системой. Раньше светодиоды были более массивными, когда применялись для обозначения работы приборов при индикации. А теперь же светодиод – миниатюрное устройство, которое радует глаз и даже кошельки потребителей.
Как это работает?
Чтобы понять, как работает светодиод, давайте взглянем на это устройство более внимательно. Перед нами прибор с дырочным электронным р-n переходом, производящий при проходе через него тока оптическое излучение, которое мы и видим. Может быть и немного иной принцип работы светодиода: используется взаимодействие «металл с полупроводником».
Что такое р-n переход и зачем он используется в светодиоде?
Этот переход является «изюминкой» в электронике на основе полупроводников. Это некий сплав двух полупроводников, которые имеют, однако, отличные друг от друга типы проводимости (так называемый «п-тип», где имеется излишнее количество электронов, а другой «дырчатый» тип – «р- тип», где есть излишнее количество дырок). Фокус заключается в том, что если провести так называемое «прямое смещение», то есть подсоединить к р-n переходу прямой электрический ток (плюсовой контакт к р-части), то через р-n переход побежит желанный нам электрический ток.
Что происходит дальше в корпусе светодиода после того, как после «прямого смещения» через р-n переход побежал ток? Происходит сплавление носителей различных электрических зарядов – в нашем случае речь идет о дырках и электронах. Последние, имеющие отрицательный заряд, «паркуются» в своих противоположностях – заряженных со знаком плюс ионах полупроводника (его кристаллической решетки). Как же получается свет? Вот от этого процесса все и происходит во время работы устройства. А точнее, когда сталкиваются электрон и дырка, то производится определенная энергия: квант света под названием «фотон».
Всегда ли неизменен этот принцип работы прибора? Нет. Дело в том, что р-n переход не обязательно излучает требуемый свет. В работающей области светодиода ширина запрещенной зоны обязана быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Также вероятность излучения при соединении пар электронов и дырочек обязана быть довольно высокой.
Кристалл полупроводниковый в этом случае должен быть бездефектным, или быть, если это невозможно, мало дефектным. Потому что как раз из-за дефектов кристалла не происходит изучение света. Одно, получается, противоречит другому.
Если светодиод нужен рабочий, то работает рационализаторская жилка. Например, приходится производить многослойные полупроводники более чем с одним р-n переходом в кристалле. Речь идет о таком понятии как гетеро структура, которая стала объектом пристального внимания российского физика Жореса Алферова (он — Лауреат ленинской премии, плюс директор Физико — Технического института им. А.Ф. Иоффе). В 2000 м году ему была присуждена Нобелевская премия за работы в области гетеро структур.
Как и всякое высоко-технологичное устройство, светодиод имеет не один тип корпуса, но мы рассмотрим стандартный. Обычно кристалл «прячется» в 5 миллиметровый корпус, где сверху идет линза, а снизу рефлектор. Анод и катод – это два традиционных вывода светодиода. Параболический отражатель – рефлектор из алюминия располагается на катоде. Если присмотреться к рефлектору, то он напоминает чашку, на днище которой и помещают кристалл, излучающий свет.
Рабочий элемент в нашем случае – монокристалл из полупроводника, в светодиоде используется как кубик (чип) с параметрами 0,3х0,3х0.25 мм. Этот монокристалл несет в себе омические контакты и р-n переход или гетеропереход. Кусочек золотой проволоки является тем мостиком, что соединяет кристалл с анодом.
Корпус светодиода прозрачен, сделан из полимера, и он не избегает работы: это еще и фокусирующая линза! Вкупе с рефлектором. Корпус светодиода совместно с рефлектором и детерминируют угол излучения.
Цветность и яркость
Мощные светодиоды, как правило, яркие, сильные в излучении, а для яркости важна степень прозрачности n-области (пленки полупроводников практически прозрачные и очень тонки). Цвет и частота излучения прямо связаны с энергией фотонов и на эти параметры влияют те материалы, из которых сделаны полупроводниковые р-п переходы. К примеру, монкристалл GaAs производит инфракрасный луч. Но если произвести небольшое добавление А1 или Р, то светодиод поменяет в итоге свое излучение на красный цвет. А вот GaP производит свет зеленый. Если мы желаем получить желтое излучение светодиода, то тогда в дело идет р-n переход с композицией А1InGaP.
Насколько энергоэффективен светодиод?
Светодиод не отличается «прожорливостью» в плане потребления электроэнергии. При токе 10-30 мА и напряжении 2-4 В расходуется от 20 до 120 мВт. Принцип экономии здесь соблюдается отлично: традиционная лампа накаливания небольших размеров «кушает» 12 В, и ток ей нужен уже 50-100 Ма.
А какова ваша сила, господин светодиод?
Производство светодиодов расширяется, и производители стараются, чтобы каждый светодиод максимально полно удовлетворял потребности клиента. Например, есть мощные светодиоды и все большая потребность в них. Как это достигается? Три в одном, говоря рекламным языком. Чтобы поднять мощность, в единый корпус устанавливают не один, и не два, а несколько кристаллов одного цвета, чтобы они излучали свет одновременно.
Повышенная мощность светодиодов достигается чаще всего четырьмя такими кристаллами в одном корпусе.
Ультраяркость
Чтобы достичь яркой работы светодиодов, выпускаются так называемые «ультраяркие» экземпляры. Мощность ультраярких светодиодов доходит до 60 мВт (это где-то 1/16 вт) и если для работы их поместить в средний по размерам корпус, то для мощной хорошей подсветки будет необходимо их установить от 15 до 20 штук.
Действительно, «суперяркий» средний светодиод несет в себе мощность в 240мВт (это 1/4 Вт) и чтобы получить нормальную подсветку светодиода (в не самом большом, но и не маленьком) корпусе нам потребуется от 4 до 8 штук светодиодов. Очень мощные светодиоды – это такие, у которых мощность отсчитывается уже от одного Ватта, и это весьма эффективные светодиоды, потому что буквально одним или двумя такими штуками можно спокойно подсветить весь корпус.
Где используют светодиоды
В современном мире светодиод занял важное место. Они красуются там, где нужна локальная подсветка. Интенсивность ее при помощи светодиодов можно регулировать от яркой до своей противоположности — тусклой. Светодиоды хорошо справляются с созданием праздничной атмосферы, особенно это актуально сейчас, в преддверии Рождества и Нового Года. Переливаясь самыми разными оттенками, они радуют взрослых и детвору своими яркими красками. Для работы светодиодных фонарей, бегущей рекламной или информационной строки опять же светодиод – оптимальное решение.
Наконец, светодиод вовсю уже помогает нам упорядочить все нарастающий хаос в автомобильном и пешеходном движении в городах и поселках. Светодиоды «пашут» в еще одной сфере: дорожное регулирование, где используются в работе светофоров.
Основное достоинство светодиодов — это их способность производить свет, потребляя при этом сравнительно малое количество энергии. Именно поэтому светодиоды интенсивно исследуются и совершенствуются, находят все более широкое применение в самых различных сферах. Иными словами, Господин Светодиод уверенно шагает по нашей планете и ему уступают дорогу как важному и полезному гостю.
Михаил Берсенев
Сравнение мощного светодиода с галогенной лампой:
Я рассказал о том, каким образом и на какие виды и типы подразделяют светодиоды. Мы определились, что ни один из видов не похож друг на друга. Точнее - конструкция светодиодов не аналогична друг другу. А вот устройство светодиодов практически похожее.
Сегодня рассмотрим каким образом устроены большинство LEDs. За основу возьмем статью, о которой упоминалось выше.
Но для начала нам стоит посмотреть на принцип работы светодиодов.
Чтобы не утруждать Вас научными терминами попробую все рассказать на пальцах. Все светодиоды имеют p-n-p переход. Электронно-дырочный переход. В процессе легирования материал n-типа насыщается положительными электронами, а в материале p-типа атомы насыщаются дырками. Дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, где отсутствуют электроны.
После подачи на чип напряжения электроны и дырки в p и n материалах начинают занимать место в p-n переходе. Как только носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны вводятся в материал р-типа.
Если к n-материалу приложить отрицательное напряжение, через диод пойдет электрический ток от материал n-типа к p-типу. Такой процесс называется прямым смещением.Поэтому материал из которого производят светодиод выбирают таким образом, чтобы испускаемые фотоны находились в видимой области спектра. Каждый материал испускает фотоны со своей длиной волны, отчего зависят цвета света.
Устройство светодиодов индикаторных
Первенцами в светодиодной промышленности можно назвать индикаторные светодиоды 3мм и т.п. типа. Устройство светодиодов индикаторных конструкционно отличается от SMD, COB и filament диодов.
На графической картинке мы видим, что устройство 3 мм диодов не сложное. Линзу производят из эпоксидной смолы. Есть и другие материалы, но как точно они называются я сейчас не припомню. Я уже давно перестал следить за тем, как идет "жизнь" данных светодиодов. Они мне не интересны. Если кто-то желает дополнить мой материал, то милости прошу в комментарии.)
В корпус интегрированы анод и катод. Светодиодный кристалл помещают в рассеиватель. От анода к кристаллу припаивается проводник. Как правило выполнен он из золота. Более дешевые модели (китайские) оснащаются медными проводниками.
Устройство индикаторного светодиода – «Пиранья»
Маломощные светодиоды. За счет того, что конструкционно на них размещаются четыре пина, увеличивается механическая прочность. Большое распространение этот вид диодов получил в автомобилестроении. Устройство LEDs пиранья понятно из картинки. Как говорится - без комментариев. Ну и дополню еще, что у данного типа полупроводников отмечается более качественная теплопроводность.
Устройство светодиода на основе волокон
Интересная разработка, которая появилась в конце 2015 года. Разработка представлена корейскими учеными института науки передовых технологий ((Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST).
Как заявляют ученые, в скором будущем технология получения волоконных светодиодов станет основой создания источников света на волокнах различны тканей. Сейчас мощность у них очень маленькая и составляет всего 0,3 Вт. Подождем, посмотрим, когда удасться перенести их в группу осветительных. Сейчас же посмотрим на устройство светодиодов из волокон.
Основой будущих диодов является волокно терефталата полиэтилена. погруженного в раствор PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate. Следующим этапом происходит сушка волокна при 130 градусах в течении получаса. На просушенную заготовку наносят OLED раствор poly-(p-phenylenevinylene) polymer organic LED (OLED) имеющий желтое свечение. Затем будущий диод снова отправляют в сушку и покрывают слоем фторида лития-алюминия (Lithium Fluoride/Aluminum (LiF/Al)).
Устройство осветительных мощных светодиодов
Устройство осветительных мощных диодов несколько отличается от тех, что мы рассматривали выше. Общая конструкция состоит из корпуса с кристаллом, подложку. Также на подложке монтируются выводные контакты. проводники кристаллов, теплоотвод и линзы.
По сравнению с индикаторными устройство осветительных имеет одно существенное различие. А именно, наличие теплоотвода. Индикаторные полупроводники маломощные, а следовательно практически не выделяют тепла. А если таковое и имеется. то легко рассеивается в линзе. Осветительные не могут похвастаться таким счастьем. Их припаивают к алюминиевой подложке для более быстрого распространения тепла. Ну и для тех, кто еще не понял - теплоотвод необходим для большинства светодиодов.
Некоторые различия также можно наблюдать и в устройствах SMD и COB чипах. Первые имеют как правило один кристалл (есть исключения. в частности ). COBовские имеют большее количество кристаллов и заливаются единым слоем люминофора.
Устройство светодиодов filament - филаментных
Первое упоминание о филаментных светодиодах датируется 2008 годом. Однако, настоящее признание пришло к ним только в 2014-2015 году, когда на их основе стали выпускать лампы.
Сами по себе - ни что иное, как отрезок из сапфира или стекла диаметром до 1.5 мм и длиной 3 см. Разные источники относят филаменты или к COB или COG (chip on glass). Это зависит от того, на какой подложке будет расти светодиод. Для удешевления процесса большинство маленьких производителей используют стеклянную подложку. Дешевизна - не единственное преимущество филаментов. Расположенные на нем диоды способны распространять свет на 360 градусов. Чего мы не сможем добиться. если будем применять обычные СМД или СОБ полупроводники. Стекло по сравнению с сапфиром плохо передает тепло, плюс к этому очень хрупкое. Поэтому, если заказывать лампы на основе филаментов, то необходимо просить продавцов о тщательной упаковке.
Устройство светодиодов filamen led основано на размещении 28 кристаллов на один отрезок последовательно. Для получения более теплого свечения в линейку добавляют красные диоды. Число кристаллов от этого не меняется. Их всегда будет только 28. Вся полученная конструкция заливается люминофором. Каждый отрезок потребляет от 0,8 до 1,3 Вт.
Филаментными диодами мы завершаем сегодняшнюю статью об устройстве светодиодов. В принципе, все идентично. За исключением лишь некоторых моментов. Так как мир не стоит на месте, то скорее всего будут появляться новые виды светодиодов. Возможно будет другое устройство. И если доживу, то обязательно буду дополнять этот материал. Если что-то пропустил, то прошу указать на это. Принимается только конструктивная критика).
Вывод об устройстве светодиодов
Решил не много дополнить материал. Времени особо нету сейчас переделывать статью, поэтому даю , в которой рассказано устройство светодиода MCOB. На сегодняшний момент это самый продвинутый вид светодиодов. Как только соберусь с силами и "подточу" материал об MCOB, чтобы воткнуть его в эту статью,так сразу и опубликую. А пока - простите и сильно не пинайте.
Вконтакте
Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку - относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.
Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.
Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, - оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.
Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.
Где применяют светодиоды?
- - все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.)
- - замена неона
- - дизайн помещений
- - дизайн мебели
- - архитектурная и ландшафтная подсветка
- - одноцветные дисплеи с бегущей строкой
- - магистральные информационные табло
- - полноцветные дисплеи для больших видео экранов
- - внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах
- - дорожные знаки и светофоры
Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.