Zasada działania diody LED: sposób działania lampy, parametry techniczne i historia jej powstania

Dioda LED to dwuprzewodowe półprzewodnikowe źródło światła. Gdy do zacisków zostanie doprowadzony odpowiedni prąd, elektrony są w stanie połączyć się z dziurami elektronowymi wewnątrz urządzenia, uwalniając energię w postaci fotonów. Efekt ten nazywa się elektroluminescencją, a kolor światła jest określany przez przerwę energetyczną półprzewodnika.

Co to jest dioda LED?

Dioda elektroluminescencyjna to urządzenie optoelektroniczne zdolne do emitowania światła, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Dioda LED przepuszcza prąd elektryczny tylko w jednym kierunku i wytwarza niespójne promieniowanie monochromatyczne lub polichromatyczne z konwersji energii elektrycznej.

on ma kilka pochodnych:

• OLED.
• AMOLED.
• ZŁOŻONE.

Ze względu na swoją skuteczność świetlną diody LED stanowią obecnie 75% rynku oświetlenia wewnętrznego i samochodowego. Wykorzystywane są do budowy telewizorów z płaskim ekranem, a mianowicie do podświetlania ekranów LCD lub jako źródło energii elektrycznej. Stosowany jako oświetlenie główne w telewizorach OLED.

Pierwsze diody LED, które trafiły do ​​sprzedaży, wytwarzały światło podczerwone, czerwone, zielone, a następnie żółte. Powiązana z postępem technicznym i instalacyjnym moc wyjściowa niebieskiej diody LED pozwala na pokrycie zakresu długości fal promieniowania od ultrafioletu (350 nm) do podczerwieni (2000 nm). nm), który spełnia wiele potrzeb. Wiele urządzeń jest wyposażonych w kompozytowe diody LED (trzy w jednym komponencie: czerwony, zielony i niebieski), które wyświetlają wiele kolorów.

Lampa LED

Lampy LED to produkty oświetleniowe do oświetlenia domowego, przemysłowego i ulicznego, w których źródłem światła są diody LED. Zasadniczo jest to zestaw diod LED i obwodów zasilających do konwersji zasilania sieciowego na prąd stały o niskim napięciu.

Oprawa LED jest samodzielnym i niezależnym urządzeniem. Jego korpus ma najczęściej indywidualny design i jest specjalnie zaprojektowany do różnych źródeł światła. Duża ilość lamp oraz ich niewielkie rozmiary pozwalają na umieszczenie ich w różnych miejscach, montaż paneli oraz wykorzystanie ich do oświetlenia wyświetlaczy i telewizorów.

Oświetlenie ogólne wymaga światła białego. Zasada działania lampy LED opiera się na emisji światła w bardzo wąskim zakresie długości fali, czyli przy charakterystyka koloru energii materiału półprzewodnikowego używanego do produkcji Diody LED. Aby emitować białe światło z lampy LED, należy zmieszać promieniowanie z czerwonej, zielonej i niebieskiej diody LED lub użyć luminoforu, aby zamienić część światła na inne kolory.

Jedną z metod – RGB (czerwony, zielony, niebieski) jest zastosowanie kilku matryc LED, każda z których emituje różne długości fal, w bliskiej odległości, tworząc ogólną biel zabarwienie.

Historia powstania pierwszych lamp

Pierwsza emisja światła przez półprzewodnik sięga 1907 roku i została odkryta przez Henry'ego Josepha Rounda. W 1927 r. Oleg Władimirowicz Losev złożył pierwszy patent na to, co później nazwano diodą elektroluminescencyjną.

W 1955 Rubin Braunstein odkrył promieniowanie podczerwone z arsenku galu, półprzewodnika, który później został wykorzystany przez Nicka Holonyaka, Jr. i S. Bevaccoy stworzył pierwszą czerwoną diodę LED w 1962 roku. Od kilku lat badacze ograniczają się do kilku kolorów, takich jak czerwony (1962), żółty, zielony, a później niebieski (1972).

Wkład japońskich naukowców

W latach 90. badania Shujiego Nakamury i Takashi Mukai z Nichia w technologii półprzewodnikowej InGaN pozwoliło stworzyć niebieskie diody LED o wysokiej jasności, a następnie dostosować się do bieli poprzez dodanie żółtego fosfor. Ten postęp pozwolił na nowe ważne zastosowania, takie jak oświetlenie i podświetlenie ekranów telewizyjnych i ekranów LCD. 7 października 2014 Shuji Nakamura, Isamu Akasaki i Hiroshi Amano otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad niebieskimi diodami LED.

Jak działa urządzenie

Gdy dioda jest przesunięta do przodu, elektrony szybko przemieszczają się przez złącze. Ciągle się jednoczą, usuwając się nawzajem. Wkrótce po tym, jak elektrony zaczną przemieszczać się z krzemu typu n do typu p, dioda łączy się z dziurami, a następnie znika. Dzięki temu cały atom jest bardziej stabilny i daje niewielki impuls energii w postaci fotonu światła.

Zasada powstawania fali świetlnej

Aby zrozumieć, jak działa dioda LED, musisz poznać jej materiały i ich właściwości. Dioda LED to wyspecjalizowana forma złącza PN, która wykorzystuje połączenie kompozytowe. Związek musi być materiałem półprzewodnikowym użytym do połączenia. Powszechnie stosowane materiały, w tym krzem i german, to pierwiastki proste, a związek wykonany z tych materiałów nie emituje światła. Jeśli chodzi o półprzewodniki, takie jak arsenek galu, fosforek galu i fosforek indu – są one kompozytowe, a związki z tych materiałów emitują światło.

Te półprzewodniki kompozytowe są klasyfikowane według pasm walencyjnych, które zajmują. Arsenek galu ma wartościowość trzy, a arsen ma wartościowość pięć. Nazywa się to półprzewodnikiem grupy III-V. Istnieje wiele innych półprzewodników, które pasują do tej kategorii. Istnieją półprzewodniki utworzone z materiałów grupy III-V.

Dioda elektroluminescencyjna emituje światło, gdy jest przesunięta do przodu. Gdy do złącza zostanie przyłożone napięcie, aby było przesunięte do przodu, prąd płynie, jak w przypadku każdego złącza PN. Dziury z obszaru typu p i elektrony z obszaru typu n wchodzą do złącza i łączą się jak zwykła dioda, aby umożliwić przepływ prądu. Kiedy tak się dzieje, energia zostaje uwolniona.

Stwierdzono, że większość światła pochodzi z regionu przejściowego bliższego regionowi typu P. Konstrukcja diod jest wykonana w taki sposób, aby obszar ten znajdował się jak najbliżej powierzchni urządzenia, aby konstrukcja pochłaniała minimalną ilość światła.

Aby uzyskać widoczne światło, połączenie musi być zoptymalizowane, a materiały muszą być odpowiednie. Czysty arsenek galu wydziela energię w podczerwieni. W celu wywołania emisji światła do półprzewodnika dodaje się aluminium w widzialnym widmie czerwonym, a następnie wytwarza się arsenek galu (AlGaAs). Fosfor można dodać w celu wytworzenia czerwonego światła. Do innych kolorów używa się różnych materiałów. Na przykład fosforek galu wytwarza światło zielone, a fosforek wapnia i glinu wytwarza światło żółte i pomarańczowe. Większość diod LED oparta jest na półprzewodnikach galowych.

Teoria kwantowa

Przepływ prądu w półprzewodnikach wynika z obu przepływów wolnych elektronów w przeciwnym kierunku. W związku z tym nastąpi rekombinacja ze względu na strumień tych nośników ładunku.

Rekombinacja pokazuje, że elektrony w paśmie przewodnictwa schodzą do pasma walencyjnego. Kiedy przeskakują z jednego pasma na drugie, emitują energię elektromagnetyczną w postaci fotonów, a energia fotonów jest równa zakazanej przerwie energetycznej.

Wyświetlone równanie matematyczne:

Równanie = hf

H jest znane jako stała Plancka, a prędkość promieniowania elektromagnetycznego jest równa prędkości światła. Promieniowanie częstotliwościowe jest związane z prędkością światła jako f = c / λ. λ jest oznaczana jako długość fali promieniowania elektromagnetycznego, a równanie staje się:

Równanie = on / λ

Na podstawie tego równania można zrozumieć, jak działa dioda LED, opierając się na fakcie, że długość fali promieniowania elektromagnetycznego jest odwrotnie proporcjonalna do pasma wzbronionego. Ogólnie, całkowite promieniowanie fali elektromagnetycznej podczas rekombinacji ma postać promieniowania podczerwonego. Nie można zobaczyć długości fali promieniowania podczerwonego, ponieważ znajduje się ono poza zakresem widzialnym.

Promieniowanie podczerwone nazywa się ciepłem, ponieważ półprzewodniki krzemowe i germanowe nie są półprzewodnikami o bezpośredniej szczelinie, ale są pośrednimi odmianami pośrednimi. Ale w półprzewodnikach z bezpośrednią przerwą maksymalny poziom energii pasma walencyjnego i minimalny poziom energii pasma przewodnictwa nie występują jednocześnie z elektronami. Dlatego podczas rekombinacji elektronów i dziur elektrony migrują z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, a pęd pasma elektronowego ulegnie zmianie.

Zalety i wady

Jak każde urządzenie, dioda LED ma również szereg własnych cech, głównych zalet i wad.

Główne zalety wygląda jak to:

• Mały rozmiar: na przykład możesz zrobić diody LED tak małe jak piksele (co otwiera możliwość wykorzystania diod do tworzenia ekranów o wysokiej rozdzielczości).
• Łatwość montażu PCB, tradycyjnego lub CMS (Surface Mount Component).
• Zużycie energii elektrycznej jest niższe niż w przypadku żarówki i jest tego samego rzędu wielkości, co w przypadku lampy fluorescencyjnej.
• Doskonała stabilność mechaniczna.
• Montując wiele diod LED, można uzyskać dobre oświetlenie dzięki innowacyjnym kształtom.
• Żywotność (około 20 000 do 50 000 godzin) jest znacznie dłuższa niż konwencjonalna żarówka (1000 godzin). godzin) lub lampę halogenową (2 tys. godziny). Ten sam rząd wielkości co świetlówki (od 5 tys. do 70 000 godzin).
• Bardzo niskie napięcie, bezpieczne i łatwe w transporcie. Dla wczasowiczów dostępne są latarki LED zasilane prostym ręcznym dynamem w zwolnionym tempie („lampa korbowa”).
• Bezwładność światła jest prawie zerowa. Diody włączają się i wyłączają w bardzo krótkim czasie, co umożliwia wykorzystanie przy transmisji sygnałów bliskich (transoptory) lub dalekich (światłowód). Natychmiast osiągają swoje nominalne natężenie światła.
• Dzięki swojej mocy, klasyczne diody LED 5mm ledwo się nagrzewają i nie mogą poparzyć palców.
• Diody LED RGB (czerwono-zielono-niebieskie) umożliwiają wzbogacanie kolorów z nieograniczoną zmiennością.

Z niedociągnięć można zauważyć, co następuje:

• Diody LED, jak każdy element elektroniczny, mają maksymalne limity temperatury pracy, a także pewne pasywne komponenty, które tworzą ich obwód zasilania (na przykład kondensatory chemiczne, które nagrzewają się w zależności od prąd skuteczny). Rozpraszanie ciepła elementów żarówek LED jest czynnikiem ograniczającym wzrost mocy, szczególnie w zespołach wieloukładowych.
• Według producenta Philipsa skuteczność świetlna niektórych diod LED gwałtownie spada. Temperatura przyspiesza spadek wydajności świetlnej. Philips zwraca również uwagę, że kolor niektórych białych diod LED może się zmieniać i świeci na zielono, gdy się starzeją.
• Proces produkcji LED jest bardzo energochłonny. Znając główne cechy diod LED, ich zalety i wady, możesz dokonać wyboru - albo je kupić, albo odmówić zakupu i używania zwykłych żarówek. Biorąc jednak pod uwagę opłacalność takiego oświetlenia, warto wziąć pod uwagę, że może ono stać się dobrą alternatywą dla zwykłych, tańszych źródeł światła.