Светодиоды: что это, принцип действия, характеристики

Светодиод, светоизлучающий диод, LED (Light Emitting Diode) – это электронное устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в видимый свет. Принцип действия светодиода основан на явлении электролюминесценции, когда электрический ток пропускается через полупроводниковый материал, что вызывает излучение фотонов.

По сравнению с традиционными источниками света, LED имеет ряд преимуществ. Они имеют высокую эффективность преобразования энергии в видимый свет, потребляя намного меньше электроэнергии. Также обладают долгим сроком службы, высоким уровнем яркости, широким цветовым спектром и быстрым временем реакции.

Светоизлучающие диоды широко распространены в нашей повседневной жизни и становятся все более популярными, продолжают развиваться и находить новые применения в различных сферах технологий. Сейчас они активно применяются в промышленном и бытовом освещении, в электронике в системах индикации и при подсветке дисплеев, в медицине, растениеводстве.

Содержание

• История создания светодиодов
• Принцип работы и устройство
• Основные характеристики светодиодов, ВАХ
• Виды светодиодов
• По конструкции/технологии
• Светодиоды DIP
• Светодиоды «Пиранья»
• Светодиоды SMD
• Светодиоды COB
• Светодиоды COG
• Светодиоды OLED
• По излучению/видимости
• Светодиоды видимого спектра
• Светодиоды инфракрасные
• Светодиоды ультрафиолетовые
• Размеры светодиодов, корпуса
• Обозначение на схеме
• Преимущества светодиодов, применение

История создания

История создания светодиодов начинается в 1927 году, когда был открыт феномен электролюминесценции. В течение первой половины ХХ века исследователи продолжили проводить эксперименты с материалами и конструкциями, но вплоть до 60-х годов, к конкретным результатам это не приводило.

Первый прототип современного светодиода был разработан в 1962 году группой ученых из Texas Instruments. Они стали использовать кристалл на основе арсенида галлия (GaAs), который позволял с достаточно высокой эффективностью работать в инфракрасном диапазоне.

Независимо от них в этом же году Ник Холоньяк для компании General Electric, смог создать первый светодиод видимого света, который излучал слабое, но ощутимое красное свечение.

После этих открытий началось промышленное производство светодиодов, хоть и в ограниченном масштабе, из-за высокой стоимости изготовления.

В начале 70-х после экспериментов с новыми материалами и полупроводниковой структурой, удалось значительно сократить стоимость производства и начать повсеместное применение светодиодов в электронике и освещении.

Дальнейшее развитие светодиодной промышленности было направлено на изобретении технологий изготовления светодиодов других цветов, увеличение яркости, уменьшение размеров и повышение срока службы.

Принцип работы и устройство

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла, обычно изготовленного из группы элементов III и V периодической таблицы. Кристалл содержит p- и n-типы слоев, образующие p-n-переход.

Собственно, принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции, когда электрический ток, протекая через полупроводниковый материал, вызывает излучение света. Электроны, находящиеся в полупроводнике, переходят на более высокую энергетическую уровень, а затем возвращаются на более низкий уровень, испуская фотоны света.

Если рассматривать процесс более подробно, то когда к светодиоду подается напряжение в прямом направлении (анод светодиода соединен с положительным напряжением, а катод - с отрицательным), происходит процесс диффузии и рекомбинации носителей заряда поблизости p-n-перехода. При этом, электроны из n-слоя переходят на p-слои, а дырки движутся в противоположном направлении. Во время процесса рекомбинации, энергия электронов освобождается в виде света.

Излучаемая длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Для различных материалов используются разные примеси, что позволяет получать светодиоды с разными цветами излучения - от инфракрасного до ультрафиолетового. Например, добавление малого количества индия в GaAs может создать красный светодиод, тогда как добавление галлия и малых количеств фосфора позволяет получить зеленый светодиод.

Устройство светодиода включает в себя несколько ключевых компонентов:

• Кристалл полупроводника. Для большинства светодиодов используется полупроводниковый кристалл из элементов, таких как германий (Ge), галлий-арсенид (GaAs) или галлий-фосфид (GaP).
• Контакты. Светодиод имеет две проводящие клеммы: анод (p-область) и катод (n-область).
• Корпус/линза. Светодиод заключается в прозрачный пластиковый или стеклянный корпус, который защищает полупроводник от внешних факторов и способствует распределению света.

Светодиоды могут иметь разные формы и размеры. Они могут быть представлены в виде отдельных компонентов (один светодиод), или в виде группы светодиодов, объединенных в одном корпусе, известном как светодиодный модуль или светодиодная матрица. Корпус светодиода защищает его внутренние компоненты от повреждений и может иметь дополнительные элементы, такие как линзы и отражатели для управления направленностью света.

Основные характеристики светодиода, ВАХ

• Цвет (температура свечения). Цвет свечения светодиода определяется полупроводниковым материалом, используемым в его конструкции. Температура свечения светодиода измеряется в градусах Кельвина (K) и определяет теплоту или холодность света, который испускает светодиод. Более низкие значения температуры свечения обычно соответствуют теплому, желтому оттенку, тогда как более высокие значения соответствуют холодному, синеватому оттенку.
• Сила света (эффективность). Сила света светодиода измеряется в люменах (Лм) и обозначает его яркость. Она зависит от пропускной способности полупроводникового материала и эффективности перехода (конверсии) электрической энергии в световую. Высокая эффективность означает, что светодиод производит более яркий свет при меньшем потреблении энергии.
• Мощность. Обозначает количество энергии, потребляемое светодиодом за единицу времени и измеряется в ваттах (Вт). Мощность светодиода является важным фактором, который следует учитывать при проектировании и использовании для предотвращения перегрева.
• Ток прямого включения. Это сила постоянного тока, которая должна протекать через светодиод при нормальной работе. Он измеряется в амперах (А). Следует соблюдать предельные значения тока прямого включения, указанные производителем, чтобы избежать повреждения светодиода.
• Напряжение прямого включения. Это напряжение, необходимое для начала прямого тока через светодиод. Оно обычно указывается в вольтах (В) и может меняться в зависимости от типа светодиода и материала, используемого для его изготовления.
• Скорость коммутации. Это время, за которое светодиод может переключиться между светящимся и несветящимся состояниями.
• Угол излучения. Угол определяет направленность света, который испускается светодиодом, измеряется в градусах (°). Узкий угол излучения означает более направленный свет, подходящий для точечной или направленной подсветки. Широкий угол излучения позволяет светодиоду рассеивать свет равномерно по большей площади, идеально подходит для общего освещения.

Длина волны излучения светодиодов

Виды светодиодов

По конструкции

Светодиоды DIP

Светодиоды DIP (Dual In-line Package) — это конструкция светодиода, в которой корпус представляет собой колбу из стекла или прозрачного пластика, внутри которой расположен один полупроводниковый кристалл, а на выходе имеются две параллельные металлические ножки.

Первые светодиоды, которые появились на рынке, это были светодиоды именно на основе технологии DIP. Это относительно недорогое и распространенное решение, которое получило широкое развитие в ХХ веке и остается востребованным по сей день.

Основным недостатком является громоздкость при изготовлении модулей, чтобы создать один пиксель с использованием светодиодов DIP, требуется установить три отдельных светодиода разных цветов в заранее подготовленные отверстия на плате.

Светодиоды «Пиранья»

Светодиод «Пиранья» получил свое название благодаря своей конструкции, корпус устройства оснащен четырьмя штырьковыми контактами, отдаленно напоминающими зубы пираньи. Эти светодиоды являются новым поколением технологии DIP.

Их отличает достаточно массивный корпус и большое количество выводов, которые обеспечивают эффективный теплоотвод, что позволяет им получать более эффективное охлаждение и соответственно позволяет увеличить нагрузку и световую мощность.

Высокая интенсивность светового потока позволяет повсеместно применять светодиоды «Пиранья» в осветительных приборах, декоративной и сигнальной подсветке.

Светодиоды SMD

Светодиоды SMD (Surface Mount Device) — это более современная конструкция светодиода, предназначенная для поверхностного монтажа на печатные платы. Они обладают намного более компактным размером, что делает их идеальными для использования в малогабаритной электронике и приложениях, где пространство ограничено.

Благодаря своему компактному размеру, SMD светодиоды могут быть установлены на плате в большей плотности, что увеличивает их яркость и эффективность. Они обладают лучшим электрическим соединением с платой, что обеспечивает более надежное соединение и исключает возможность плохого контакта, которая иногда возникает с DIP светодиодами.

SMD светодиоды могут быть легко и автоматически размещены на плате с использованием современного оборудования для поверхностного монтажа (SMT). Это упрощает и автоматизирует процесс производства.

Из-за вышеупомянутых преимуществ SMD светодиоды стали стандартом для большинства современных электронных устройств и приложений.

Светодиоды COB

Светодиоды COB (Chip on Board) - это конструкция, при которой несколько светодиодных чипов монтируются на небольшом керамическом или алюминиевом основании.

Такое решение позволяет достичь очень высокой световой интенсивности и эффективности, благодаря сокращению потерь пучности света и повышению плотности светодиодных чипов. COB-светодиоды также обладают высокой теплопроводностью, что позволяет эффективно управлять выделением тепла.

Широко используются для освещения и подсветки.

Светодиоды COG

Светодиоды COG (Chip on Glass) - это современная конструкция, в которой множество мелких светодиодов расположены на прозрачной подложке из специального стекла или искусственного сапфира, сверху покрытых слоем люминофора. Таким образом, достигается одинаковая яркость света во всех направлениях без использования сложных оптических систем, которые уменьшают силу света.

Отличительной особенностью устройства является тот факт, что несмотря на высокую яркость, свет не раздражает человеческий глаз и остается приятным.

Данные светодиоды применяются в филаментных лампах, которые внешне очень похожи на обыкновенные лампы накаливания, но вместо вольфрамовой спирали используются «нити» COG светодиодов.

Светодиоды органические, OLED

Светодиоды OLED (Organic Light-Emitting Diode) - это конструкция, которая использует тонкие органические слои, способные излучать свет при подаче электрического тока. Они состоят из органических полупроводников, таких как полимерный или молекулярный материал.

Одной из ключевых особенностей OLED-светодиодов является то, что они не требуют подсветки. Вместо этого, каждый OLED-пиксель сам по себе является источником света, что создает более высокую контрастность и глубину черного цвета.

Поскольку OLED-пиксели могут работать без дополнительного подсветки, они могут быть изготовлены очень тонкими и гибкими. Это дает производителям гибкость в создании устройств согнутых форм, таких как изогнутые смартфоны или гибкие дисплеи.

Однако у OLED-светодиодов есть и некоторые недостатки. Поскольку органические материалы могут разрушаться со временем, светодиоды подвержены выцветанию и выгоранию, особенно при отображении статичных картинок или интерфейсов.

По излучению

Светодиоды видимого спектра

Светодиоды видимого спектра могут излучать различные цвета, это достигается путем использования разных материалов полупроводников, которые обладают разными энергетическими зазорами. Энергетический зазор определяет энергию, необходимую электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости, что вызывает излучение света.

Красные светодиоды могут быть изготовлены с использованием различных материалов, включая галлий-арсенид-фосфид (GaAsP) или алюминий-индий-галий-фосфид (AlInGaP). GaAsP используется для более дешевых красных светодиодов, а AlInGaP обеспечивает более яркий и насыщенный свет. В некоторых случаях может добавляться мышьяк.

Синие светодиоды могут быть сделаны из индия (In) и галлия (Ga), дополненных нитридом галлия (GaN) или карбидом кремния (SiC). Также часто добавляется магний (Mg) для стабилизации процесса.

Для получения зеленого свечения используется индий фосфида (InP) или галлиевый арсенид фосфида (GaAsP) с добавкой газа азота (N).

Желтые светодиоды обычно создаются с использованием материалов, содержащих алюминий-индиево-галлиевый фосфид (AlInGaP) или алюминий-индиево-галлиевый арсенид (AlInGaAs).

Оранжевый свет может быть получен из комбинации материалов, используемых для красных и желтых светодиодов, например, алюминиево-индиевое-галлиевофосфидное-арсенидное соединение (AlInGaPAs) или галлий-арсенид-фосфид (GaAsP).

Фиолетовые светодиоды могут содержать индиевый галлий нитрид (InGaN) или алюминиевый галлий фосфид (AlGaP).

Белые светодиоды обычно создаются путем комбинирования. Например, синий светодиод с фосфорным покрытием может преобразовывать часть своего синего света в зеленый и красный, создавая эффект белого света. Или некоторые светодиоды изготавливаются таким образом, чтобы в одном компоненте были интегрированы отдельные кристаллы для каждого основного цвета - красного, зеленого и синего. Путем одновременного включения всех трех цветовых кристаллов также можно получить белый свет.

Инфракрасные светодиоды

Инфракрасные светодиоды (ИК-диоды) - это полупроводниковые электронные устройства, которые излучают инфракрасное излучение с длиной волны от 760 до 1400 нм, невидимой для человеческого глаза (длина волны больше, чем видимый свет).

Основная характеристика ИК-диодов - это длина волны, на которой они работают. ИК диоды могут работать на различных длинах волн, включая ближний инфракрасный (NIR), средний инфракрасный (MIR) и дальний инфракрасный (FIR) спектры.

Инфракрасные диоды обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как германий (Ge) или соединения галлия, мышьяка и индия (GaAs, GaAsP, GaInAs и т. д.). Эти материалы обладают определенной ширина запрещенной зоны, что позволяет диоду излучать или обнаруживать инфракрасное излучение.

Ультрафиолетовые светодиоды

Ультрафиолетовые светодиоды (УФ-диоды) — это устройства, работающие в невидимом человеческому глазу ультрафиолетовом спектральном диапазоне, т.е. с длинами волн от 100 нанометров до примерно 400-450 нанометров (длина волны меньше, чем видимый свет).

УФ-светодиоды имеют высокую степень монохроматичности. Они способны генерировать свет определенной длины волны с высокой точностью и узким спектральным распределением, включая ультрафиолет А (UV-A), ультрафиолет В (UV-B) и ультрафиолет С (UV-C).

При этом УФ-диоды обладают высокой электрооптической эффективностью. Это означает, что они преобразуют большую часть поступающей электрической энергии в световую без значительных потерь. Некоторые УФ-светодиоды могут иметь КПД более 50%, что делает их очень эффективными и экономичными источниками света.

Также следует отметить, что с последними технологическими прорывами и улучшениями в производстве было достигнуто значительное повышение их эффективности. Например, использование новых материалов, таких как соединения галлия нитрида (GaN), и новых методов эпитаксиального роста помогли увеличить эффективность УФ-светодиодов, что делает их еще более привлекательными для различных применений, таких как медицина, фотолитография, дезинфекция и другие области, где требуется высокая интенсивность излучения.

Типоразмеры светодиодов

Единого стандарта для технической маркировки типоразмеров светодиодных изделий не существует, поэтому каждый производитель полупроводниковой техники использует свою собственную систему.

Единственной системой, которая применяется для обозначения размеров светодиодов, является общая классификация типоразмеров компонентов поверхностного монтажа, т.е. подходит для светодиодов изготовленных по технологии SMD.

Обозначение на схеме

Традиционным обозначением светодиодов является графический значок обычного диода, помещенный в круг и двумя стрелками, направленными наружу, что указывает на его излучающую способность (в отличие от фотодиода с обратным назначением).

Общепринятым обозначением светодиодов на принципиальных электрических схемах выступает латинская аббревиатура HL, что означает по ГОСТ 2.702-2011 — приборы световой сигнализации.

Преимущества светодиодов, применение

Светодиоды обладают высокой эффективностью преобразования электрической энергии в свет. Они характеризуются высоким коэффициентом световыделения, что означает, что они потребляют меньше энергии для производства той же яркости по сравнению с традиционными источниками света, такими как лампы накаливания или люминесцентные лампы. Данная особенность светодиодов позволяет снизить энергопотребление и расходы на электроэнергию, что делает их весьма привлекательными с экономической точки зрения.

Вторым важным преимуществом светодиодов является их долгий срок службы. Главной причиной этого является отсутствие подвижных или хрупких компонентов внутри светодиодов, а также лучшая устойчивость к вибрациям и ударам. В результате светодиоды способны работать в течение более 50 000 часов, что гораздо дольше, чем другие источники света. Это ведет к снижению затрат на обслуживание и замену источников света, особенно в условиях, где требуется длительная работоспособность.

Светодиоды отличаются высоким уровнем контроля яркости и цвета света, что позволяет использовать энергию более эффективно. Например, светодиоды можно легко регулировать по яркости для адаптации к различным условиям освещения или требованиям пользователя. Светодиоды могут быть точечными, что позволяет направлять свет только туда, где он необходим, минимизируя светораспределение и потерю энергии. Кроме того, светодиоды могут производить широкий спектр цветов и эффектов без необходимости использования фильтров или отдельных источников света.

Светодиоды не содержат опасных веществ для окружающей среды, таких как ртуть или свинец, что делает их экологически безопасными. Это отличает их от других источников света, таких как люминесцентные лампы, которые могут содержать ртуть. Кроме того, светодиоды не выделяют тепла в таком количестве, как некоторые другие источники света, что снижает риск возгорания или повреждения.

Благодаря подобным преимуществам светодиоды начали вытеснять традиционные источники света. Сначала светодиоды начали использоваться в качестве подсветки в индикаторах и дисплеях. Но позже, с развитием технологии они стали более доступными и начали повсеместно применяться непосредственно в качестве источников света, т.е. для освещения.

Также светодиоды также нашли применение в области фотоники и оптоэлектроники. Их использование в оптических приборах, таких как оптические сенсоры, лазеры, оптические волокна и акустооптические устройства, позволяет получать высокую точность и надежность измерений. Благодаря своим малым размерам и энергосберегающим свойствам, светодиоды обеспечивают эффективную передачу и обработку оптической информации.

В сельском хозяйстве светодиоды используются для фитосветильников и систем гидропоники, где их спектральные характеристики способствуют более эффективному росту растений, увеличению урожайности и сокращению затрат на энергию.

Не стоит забывать, что светодиоды активно используются в медицине. Например, они применяются в биостимуляции, где определенные длины волн света стимулируют клеточные реакции и метаболические процессы. Некоторые светодиодные устройства используются для лечения поврежденной кожи, заживления ран и регенерации тканей. Светодиодная биостимуляция также исследуется в контексте лечения болевого синдрома и восстановления мышц.