Світлодіоди

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що здатен перетворювати електричну енергію безпосередньо у світлову. За своєю структурою, світлодіод подібний до звичайного напівпровідникового діоду, так само як і будь який напівпровідниковий діод, світлодіод має властивість односторонньої електропровідності, але, при протіканні електричного струму у "прямому" напрямі, на кристалі, в зоні контакту напівпровідників різного типу провідності, виникає світіння. Довжина світлової хвилі, яку ми сприймаємо як колір, залежить лише від структурних та хімічних особливостей напівпровідників. Ніякі зміни характеристик струму живлення світлодіода (сила струму, частота, напруга) не можуть вплинути на довжину хвилі випромінюваного світла.

Та немає таких обмежень, які б не спробувала здолати конструкторська думка. Ніщо не заважає розмістити у одному корпусі кілька кристалів з різним кольором світіння. Першими були створені двокольорові світлодіоди. Конструктори скористались тим, що світлодіод здатен проводити струм лише у одному напрямі, розмістивши на одній основі два кристали, під'єднані до виводів живлення зустрічно.

Зі зміною полярності живлення змінюється колір світіння з червоного на зелений. Здатність ока утримувати зорові образи, на якій побудована техніка кіно і телебачення, дозволила підбираючи співвідношення тривалостей імпульсів протилежної полярності змінювати пропорції червоного та зеленого отримуючи проміжні кольори як видно з діаграми кольорів, це всі відтінки жовтого.

Діаграма кольорів також показує, що отримати біле світло можна змішуючи світло червоного, зеленого та синього світлодіодів, проблема лише в тому, що сині світлодіоди до недавнього часу було неможливо виготовити.

Нині проблема вирішена, серійно виробляються світлодіодні RGB сборки, так звані RGB світлодіоди, але їх сфера використання в основному багатокольорові дисплеї та рекламні табло.

Технологічно виявилось можливим виготовити світлодіоди жовтого кольору світіння, діаграма кольорів підказує можливість отримання білого світла змішуючи жовте з синім.

Необхідність використання кількох кристалів суттєво здорожує технологію.

Тому найбільшого розповсюдження серед світлодіодів білого світіння набули світлодіоди з люмінофорним покриттям, саме вони стоять у всіх китайських ліхтариках, саме ці світлодіоди мають на увазі кажучи про "білі світлодіоди". Головна перевага світлодіодів з люмінофорами - їх дешевизна.

За принципом дії такі світлодіоди подібні до люмінесцентних ламп. На кристал фіолетового, або ультрафіолетового світлодіода наноситься покриття люмінофору, що під дією ультрафіолетового випромінення починає світитися сам, але вже білим світлом. Зрозуміло, так само як вигоряє люмінофор люмінесцентних ламп, зменшуючи світловіддачу, вигоряє і люмінофор світлодіода. Фактично, світлодіоди невисокої якості за 2 - 3 місяці зменшують світловіддачу вдвоє.

Ознакою гарної якості є рівномірність нанесення шару люмінофору та його хімічна чистота. Якщо з десятка вибраних світлодіодів половина відрізняється відтінками кольору, висока ймовірність того, що зв'язуватись з цією партією не варто.

Друга важлива складова - електричні та теплові параметри. Якщо через світлодіод пропускати більший струм, ніж той на який він розрахований, світлодіод світитиме яскравіше, але внаслідок виділення тепла кристал швидко деградує. Замість сотень тисяч годин світлодіод пропрацює десятки, поступово втрачаючи яскравість.

У бідь якому разі над яскраві світлодіоди не є джерелами холодного світла, не зважаючи на відсутність в них ниті розжарювання - вони нагріваються під час роботи. Ефективність тепловідведення дуже важлива для світлодіода. Цю особливість слід враховувати при проектуванні.

Ще одна відмінність світлодіоду віл звичайних ламп розжарювання - виражена нелінійність вольт - амперної характеристики. Невеличкі зміни напруги живлення призводять до значних коливань струму.

Принцип дії:

При протіканні через діод прямого струму відбувається інжекція електронів.

Процес самовільної рекомбінації інжектованих електронів, що відбувається, як в базовій області, так і в самому p-n переході, супроводжується їх переходом з високого енергетичного рівня на більш низький. Електрон після рекомбінації знаходиться у дуже нестабільному стані, оскільки він має зайву енергію (Евх,). В такому стані електрон довго перебувати не може. Він перейде на стаціонарну орбіту з нижчим енергетичним рівнем (Ест.) і випромінить квант світла. Щоб кванти енергії – фотони, які вивільнились при рекомбінації відповідали квантам видимого світла збільшують кількість p-n переходів.

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозонні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль, — від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом, великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Застосування:

Ефективність світлодіодів найбільше проявляється там, де потрібно генерувати потужні кольорові світлові потоки (світлові сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синю, зелену). 90% енергії світлового потоку, від лампи рожарювання, втрачається, при проходженні світла через світлофільтр. Усі ж 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом і в застосуванні світлофільтра немає потреби. Більше того, близько 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання, витрачається на її нагрів, — для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна), на яку вони спроектовані.

Світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для звичайних ламп розжарювання, аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів), дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях. Світлодіоди не бояться частих вмикань і вимикань. Термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років).

Використовуючи світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовують у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла (інформаційні табло, світлофори, ліхтарики, гірлянди тощо).