0 Избранные товары
0
15:56:58 - 19.10.2017


15:47:40 - 19.10.2017
14:19:00 - 19.05.2017

История и технологии производства LED

  • Итак, что же такое светодиод?

Светодиод - это ничто иное как полупроводниковый прибор, который преобразует электрический ток в световое излучение. На английском языке это звучит как LED (Light Emitting Diode)

  • Как устроен светодиод?

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с электрическими контактами и оптики. Светодиоды, выпускаемые в настоящее время практически не похожи на своих предшественников – корпусные светодиоды. В прошлом светодиоды применялись только для световой индикации.

  • Принцип работы светодиода?

В области p-n – перехода происходит рекомбинация электронов, в результате этого и возникает свечение. Из этого следует, что прежде всего необходим p-n – переход. Он является контактом двух полупроводников с разными типами проводимости. В приконтактные слои кристалла полупроводника добавляют примеси. С одной стороны акцепторные, а с другой донорские. И все –таки излучать свет может не всякий p-n – переход. Для этого необходимы два условия:

  1. Активная область светодиода должна иметь ширину запрещенной зоны близкой к энергии квантов видимого диапазона света.
  2. Кристалл полупроводника не должен содержать дефектов, иначе рекомбинация электронно-дырочных пар будет происходить без свечения.

Невероятно, но эти условия противоречат друг другу. Чтобы соблюсти оба условия не достаточно одного p-n – перехода. Необходимо изготовить многослойную структуру проводников, а именно гетероструктуру. Российский физик Жорес Алфёров удостоен Нобелевской премии 2000 года за изучение этих гетероструктур.

  • Правда ли, что из-за величины тока протекающего через светодиод, зависит яркость свечения?

Да, яркость свечения светодиода находится в прямой зависимости от величины тока. С увеличением силы тока количество электронов и дырок, поступающих в зону рекомбинации в единицу времени, увеличивается. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Полупроводник и p-n – переход имеют сопротивление, и следовательно диод может перегреться и выйти из строя.

  • Преимущества светодиода?

  1. Преобразование электрического тока непосредственно в световое излучение происходит практически без потерь в отличии от ламп накаливания и люминесцентных ламп. 
  2. Светодиод имеет низкую температуру нагрева, что добавляет ему широкие возможности использования. 
  3. Излучение светодиода узкоспектральное – это неоценимое достоинство необходимо дизайнерам. Он не излучает инфракрасных лучей и ультрафиолета.
  4. Устройство корпуса светодиода прочное и надежное.
  5. Срок службы светодиода в 100 раз больше чем у лампы накаливания и в 10 раз больше чем у люминесцентных ламп.
  6. Светодиод безопасный прибор т.к. работает от низковольтного источника электроэнергии.

  • Недостатки светодиода

  1. У светодиода есть один, но серьезный недостаток – его высокая цена. Цена 1 люмена светодиода в 100 раз дороже цены люмена галогенной лампы. Но специалисты уверяют нас, что за 2-3 года эта цена снизится в 10 раз.

  • Применение светодиодов для освещения

До недавнего времени светодиоды служили индикаторами в различных электронных приборах. Тогда не существовало белых светодиодов, что затрудняло их применение в освещении. Так же необходимо было увеличит их яркость, т.е. светоотдачу. Желто-зеленые, желтые и красные светодиоды были изобретены в 60-х, 70-х годах. Они нашли свое применение в электронных приборах самолетов и автомобилей. Они с успехом применялись в информационных и рекламных экранах. В дальнейшем обычные лампы накаливания начали уступать светодиодам по светоотдаче, надежности и долговечности. Оставался существенный недостаток – отсутствие светодиодов белого, синего и сине-зеленого цветов.

  • Что влияет на цвет светодиода?

На цвет светодиода влияет ширина запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Другими словами цвет зависит от материала из которого изготовили полупроводник и от легирующих примесей. С увеличением ширины запрещенной зоны увеличивается энергия квантов, а значит и усиливается «синее» излучение светодиода.

  • Какие трудности возникали при изготовлении голубого светодиода?

Чтобы получить голубое свечение необходим полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Основой такого полупроводника может послужить карбид кремния SiC. Но у светодиодов на основе этого материала оказался слишком маленький КПД. Основа из селенида цинка ZnSe способствовала перегреву светодиода и срок его службы существенно сокращался. На роль основы полупроводника пробовались еще ряд материалов, но проблему не удавалось решить до конца 80-х годов. Голубой светодиод был получен в конце 70-х профессором Жаком Панковым (Яков Исаевич Панчиков) из корпорации IBM. Светодиод был создан на сапфировой подложке из пленок нитрида галлия.Но работа Панкова не поддержало руководство, мотивируя дороговизной сапфира и недостаточным свечением. В то же время группой Сапарина и Чукичева было запатентовано устройство оптической памяти в котором использовался электронный пучек GaN. По действием этого пучка с примесью цинка выделялся яркий голубой свет. Но это загадочное явление объяснить так и не смогли. Это объяснили японцы из университета Нагойя. Профессор И Акасаки и доктор Х. Амано произвели обработку пленки GaN с примесью магния электронным пучком и получили яркий люминесцирующий слой p- типа, имеющий высокую концентрацию дырок. Но их публикации не вызвали должного внимания. Доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical в 1989 году произвел исследование пленки нитридов элементов III группы. Он использовал работу профессора Акасаки. В результате подбора легирования и термообработки, он сумел получить в GaN – гетероструктурах эффективно инжектирующие слои p – типа. Фирма Nichia запатентовала это изобретение и начала выпуск голубых и зеленых светодиодов. Выпуск белых светодиодов начался в 1998 году.

  • Квантовый выход светодиода что это?

Число квантов света излученных на одну электронно – дырочную пару в результате рекомбинации, называется квантовым выходом. Бывает два типа квантовых выходов – внутренний и внешний. Внутренний выход происходит в самом p-n- переходе. Внешний - для светодиода в целом. Для качественных кристаллов, при условии эффективного теплоотвода, квантовый выход может достигать 100%. Внешний квантовый выход красных светодиодов составляет приблизительно 55%, для синих – 35%. Внешний квантовый выход является одним из важных свойств светодиода.

  • Способы получения белого свечения

Белый свет от светодиодов можно получить тремя способами. Первый способ это смешение цветов по принципу RGB (Reed, Green, Blue). Светодиоды трех цветов помещаются на одну матрицу и при помощи оптики их излучение смешивается. Второй – на светодиод, излучающий в ультрафиолетовом диапазоне (такие существуют) наносится три слоя люминофора, красного, зеленого и голубого цветов. Третий способ получения белого свечения заключается в нанесении на голубой светодиод люминофоров желто-зеленого или зеленого плюс красного. В результате получается белый свет.

  • Какой способ лучше?

Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки. Применяя технологию RGB можно изменять цвет свечения, регулируя ток, проходящий через диоды. Этот процесс можно автоматизировать и в результате получить широкий изменяющийся спектр свечения. Помимо этого в матрице образуется сильный световой поток в результате использования большого количества светодиодов. Недостатком такого способа является неравномерный нагрев светодиодов в матрице по причине неравномерного теплоотвода, и по прошествию времени цвет свечения меняется и цветовая температура начинает «плавать». Этот недостаток достаточно сложно устранить. Более дешевыми светодиодами по сравнению с RGB матрицами являются светодиоды с люминофорами. Они испускают достаточно хороший белый свет. Недостатками таких светодиодов являются сложный технологический процесс равномерного нанесения люминофора, при котором трудно соблюсти нужную световую температуру, и старение люминофора быстрее чем сам светодиод. В настоящее время промышленность выпускаются как светодиоды со слоем люминофора, так и матрицы RGB. Они имеют разные области применения.

  • Основные характеристики светодиодов

Светодиод является низковольтным прибором. Как правило светодиоду для работы необходимо постоянное напряжение 2 – 4В, и ток до 50 мА. Сверхяркие светодиоды работают от такого - же напряжения, но потребление тока составляет от 100 мА до 1А. Суммарное напряжение, требуемое для питания светодиодного модуля, зависит от схемы включения светодиодов. Напряжение может составлять 12 – 24В, если светодиоды включены параллельно. Светодиод имеет полярность и ее нужно соблюдать при включении в схему, чтобы предотвратить его выход из строя. В основные показатели характеристики светодиода входит его световой поток, осевая сила света и диаграмма направленности. В зависимости от конструкции светодиоды могут иметь угол излучения от 4 до 140°. Цвет излучения зависит от координат цветности, цветовой температуры и длины излучаемой волны. Показателем эффективности является светоотдача. Это понятие означает отношение величины светового потока к единице мощности. Еще одной неотъемлемой характеристикой светодиода является цена одного люмена.

  • Реакция светодиода на температуру

Если говорить о температурном режиме светодиода, то очень важным является нагрев поверхности кристалла и самого p – n – перехода. От первого зависит долговечность, от второго световой выход. Из-за повышения температуры в p – n – переходе происходит падение яркости светодиода и уменьшение внутреннего квантового выхода (как следствие колебания кристаллической решетки). Поэтому организации эффективного теплоотвода уделяется особое внимание. Но не у всех типов светодиодов падение яркости происходит одинаково. Это зависит от света светодиода. Светодиоды AlGalnP и AeGaAs (красные и желтые) более подвержены падению яркости. А вот InGaN (зеленые, синие, белые) более стойкие к этому явлению.

  • Зачем светодиоду стабилизатор?

В рабочем режиме ток, протекающий через светодиод, зависит экспоненцианально от напряжения. При изменении напряжения даже незначительном, изменение тока происходит существенное. Из-за изменения тока яркость светодиода так же не стабильна. Существует вероятность перегрева и выхода светодиода из строя в следствии повышения током допустимых пределов. Поэтому диоду и необходим стабилизатор. Для стабилизации тока светодиоду так же требуется конвертор.

  • Регулировка яркости светодиода

Яркость светодиодов очень легко регулируется, но не путем понижения напряжения, что делать нельзя. Для регулировки яркости используется так называемая широтно – импульсная модуляция (ШИМ). Этот метод предусматривает использование специального электронного блока – модулятор. Как правило это устройство размещается в одном корпусе с контроллером цвета, конвертором и блоком питания. Он подает на светодиод модулированный ток высокой частоты с возможностью регулирования ширины импульсов и пауз между ними. Яркость светодиода легко управляется в средних пределах и о не гаснет. При изменении яркости светодиода цветовая температура остается практически неизменной.

  • Отчего зависит долговечность светодиода

Светодиоды не на столько долговечны как это принято считать. Их срок жизни напрямую зависит от силы тока и температуры нагрева. Поэтому, чем светодиод мощнее, тем его жизнь короче. В среднем она составляет 35 тысяч часов. Старение сказывается на снижении его яркости. Если яркость светодиода снизилась на 30%, его необходимо заменить.

  • Безопасен – ли светодиод для зрения?

Светодиод излучает свет близкий по спектру к монохроматическому. Этим он и отличается от солнечного света и света ламп накаливания. Как этот спектр действует на человеческий глаз неизвестно. В этой области никто и никогда исследований не проводил.Никаких данных о вреде светодиодов зрению не существует.

Возврат к списку