Как са подредени и работят светодиодите

Светоизлъчващите полупроводникови устройства се използват широко за осветителни системи и като индикатори за електрически ток. Те се отнасят до електронни устройства, работещи под приложеното напрежение.

Тъй като стойността му е незначителна, такива източници принадлежат към устройства с ниско напрежение, те имат повишена степен на безопасност по отношение на въздействието на електрически ток върху човешкото тяло. Рискът от наранявания се увеличава, когато за осветяването им се използват източници на повишено напрежение, например битова домашна мрежа, която изисква включването на специални захранващи устройства в веригата.

Отличителна черта на дизайна на LED е по-високата механична якост на корпуса от тази на Illich и флуоресцентни лампи. При правилна работа те работят дълго и надеждно. Техният ресурс е 100 пъти по-голям от този на нажежаемите жички, достигащ сто хиляди часа.

Този индикатор обаче е характерен за дизайнерските индикатори. Източниците на висока мощност използват силни токове за осветление, а експлоатационният живот е намален от 2–5 пъти.

LED устройство

Конвенционален светодиоден индикатор е направен в епоксиден корпус с диаметър 5 mm и два контактни провода за свързване към електрически вериги на ток: анод и катод, Визуално те се различават по дължина. За ново устройство без изрязани контакти катодът е по-къс.

Просто правило помага да запомните тази позиция: и двете думи започват с буквата "K":

• катод;

• накратко.

Когато краката на светодиода са отрязани, анодът може да бъде определен чрез прилагане на 1,5 волта напрежение от обикновена батерия на пръста към контактите: светлината се появява, когато полярностите съвпадат.

Излъчващият светлина активен монокристал на полупроводник има формата на правоъгълен паралелепипед. Той е поставен близо до параболичен отражател, изработен от алуминиева сплав и монтиран върху субстрат с непроводими свойства.

В края на прозрачен прозрачен калъф, изработен от полимерни материали, има лещи, фокусиращи светлинни лъчи. Той заедно с отражателя образува оптична система, която формира ъгъла на радиационния поток. Характеризира се с модел на насоченост на светодиода.

Тя характеризира отклонението на светлината от геометричната ос на цялостната структура към страните, което води до увеличаване на разсейването. Това явление се появява поради появата на малки нарушения на технологиите по време на производството, както и от стареене на оптични материали по време на работа и някои други фактори.

Алуминиев или месингов колан може да бъде разположен в долната част на кутията, като служи за радиатор за отстраняване на топлина, генерирана при преминаване на електрически ток.

Този принцип на проектиране е широко разпространен. На негова основа се създават и други полупроводникови източници на светлина, като се използват други форми на конструктивни елементи.

Принципи на излъчване на светлина

Полупроводниковият възел тип p-n е свързан към източник на постоянно напрежение в съответствие с полярността на клемите.

Вътре в контактния слой от p- и n-тип вещества, под неговото действие започва движението на свободни отрицателно заредени електрони и дупки, които имат положителен знак на заряд. Тези частици са насочени към полюсите си.

В преходния слой зарядите се рекомбинират. Електроните преминават от лентата на проводимост към валентната лента, преодолявайки нивото на Ферми.

Поради това част от тяхната енергия се освобождава с освобождаването на светлинни вълни с различен спектър и яркост. Честотата на вълната и възпроизвеждането на цветовете зависят от вида на смесените материали, от които е направена p-n кръстовище.

За излъчване на светлина в активната зона на полупроводник трябва да бъдат изпълнени две условия:

1. пространството на забранената зона по ширина в активната област трябва да бъде близко до енергията на излъчваната кванта в честотния обхват, видим за човешкото око;

2. Чистотата на материалите на полупроводниковия кристал трябва да бъде висока, а броят на дефектите, засягащи процеса на рекомбинация, е минимален възможен.

Този труден технически проблем се решава по няколко начина. Едно от тях е създаването на няколко слоя p-n кръстовища, когато се формира сложна хетероструктура.

Температурен ефект

С увеличаването на нивото на източника на напрежение токът през полупроводниковия слой се увеличава и луминесценцията се увеличава: увеличен брой заряди за единица време навлиза в рекомбинационната зона. В същото време елементите, носещи ток, се нагряват. Стойността му е критична за материала на вътрешните токови проводници и за веществото на pn съединението. Високите температури могат да ги повредят, да ги унищожат.

Вътре в светодиодите енергията на електрическия ток преминава в светлината директно, без излишни процеси: не като при лампите с нажежаеми жички. В този случай се формират минимални загуби на полезна мощност поради ниското нагряване на проводимите елементи.

Поради това се създава висока ефективност на тези източници. Но те могат да се използват само там, където самата структура е защитена, блокирана от външно отопление.

Характеристики на светлинните ефекти

При рекомбинация на дупки и електрони в различни състави на pn-съединителните вещества се създава неравномерно излъчване на светлина. Обичайно е да се характеризира с параметъра на квантовия добив - броя на извлечените леки кванти за една рекомбинирана двойка заряди.

Той се формира и се осъществява на две нива на светодиода:

1. вътре в самия полупроводников възел - вътрешен;

2. в дизайна на целия светодиод като цяло - външен.

На първо ниво квантовият добив на правилно изпълнени монокристали може да достигне стойност, близка до 100%. Но за да се гарантира този индикатор, се изисква да се създадат големи токове и мощно разсейване на топлината.

Вътре в самия източник, на второто ниво, част от светлината се разсейва и поглъща от структурни елементи, което намалява общата ефективност на радиация. Максималната стойност на квантовия добив е много по-малка. При светодиодите, излъчващи червен спектър, той достига не повече от 55%, докато при сините той намалява още повече - до 35%.

Видове цветово предаване на светлина

Съвременните светодиоди излъчват:

• жълт:

• зелен;

• червен цвят;

• синьо;

• синьо;

• бяла светлина.

Жълто зелен, жълт и червен спектър

Pn кръстовището се основава на галиеви фосфиди и арсениди. Тази технология е внедрена в края на 60-те години за индикатори на електронни устройства и табла за управление на транспортна техника, билбордове.

Такива устройства за изход на светлина веднага изпревариха основните източници на светлина от онова време - лампи с нажежаема жичка и ги надминаха по надеждност, ресурс и безопасност.

Син спектър

Излъчвателите на синия, синьо-зеления и особено на белия спектър отдавна не се поддават на практическо изпълнение поради трудностите при сложното решаване на два технически проблема:

1. ограничен размер на забранената зона, в която се извършва рекомбинацията;

2. високи изисквания за съдържанието на примеси.

За всяка стъпка за увеличаване на яркостта на синия спектър се изисква увеличение на енергията на кванти поради разширяването на ширината на забранената зона.

Въпросът беше решен чрез включване на силициеви карбиди SiC или нитриди в полупроводниковото вещество. Но развитието на първата група се оказа с твърде ниска ефективност и малък добив на квантово излъчване за една рекомбинирана двойка заряди.

Включването на твърди разтвори на цинков селенид в полупроводниковия възел помогна за увеличаване на квантовия добив. Но такива светодиоди имаха повишено електрическо съпротивление на кръстовището.Поради това те се прегряват и бързо изгарят, а сложните структури при производството на топлинно разсейване не работят ефективно за тях.

За първи път беше създаден син светодиод с помощта на тънки филми от галиев нитрид, отложени върху сапфирен субстрат.

Бял спектър

За да го получите, използвайте една от трите разработени технологии:

1. смесване на цветовете по метода RGB;

2. нанасяне на три слоя фосфор от червен, зелен и син на ултравиолетовия светодиод;

3. покриване на синия светодиод със слоеве жълто-зелен и зелено-червен фосфор.

В първия метод три единични кристала се поставят на една матрица наведнъж, всеки от които излъчва свой собствен RGB спектър. Поради дизайна на оптичната система на базата на лещи, тези цветове са смесени и полученият резултат е общ бял нюанс.

При алтернативен метод смесването на цветове се случва поради последователно облъчване с ултравиолетово лъчение на трите съставни фосфорни слоя.

Характеристики на бялата спектрална технология

RGB техника

Тя ви позволява да:

• включете различни комбинации от монокристали в алгоритъма за управление на осветлението, свързвайки ги последователно ръчно или с автоматизирана програма;

• причиняват различни цветови нюанси, които се променят с течение на времето;

• създават ефектни осветителни системи за реклама.

Един прост пример за такова изпълнение е цветни коледни гирлянди, Подобни алгоритми също се използват широко от дизайнерите.

Недостатъците на RGB светодиодите са:

• разнороден цвят на светлинното петно ​​в центъра и ръбовете;

• неравномерно нагряване и отнемане на топлина от повърхността на матрицата, което води до различни скорости на стареене на p-n кръстовища, влияе върху балансирането на цветовете, променя цялостното качество на белия спектър.

Тези недостатъци са причинени от различното разположение на монокристалите върху основната повърхност. Те са трудни за фиксиране и конфигуриране. Благодарение на тази технология, RGB моделите са сред най-сложните и скъпи дизайни.

Светодиоди с фосфор

Те са по-прости в дизайна, по-евтини за производство, по-икономични, когато се преобразуват в радиационни единици на светещ поток.

Те се характеризират с недостатъци:

• във фосфорния слой има загуби на светлинна енергия, които намаляват светлинната мощност;

• сложността на технологията за нанасяне на равномерен фосфорен слой влияе върху качеството на температурата на цвета;

• Фосфорът има по-кратък живот от самия светодиод и старее по-бързо по време на употреба.

Характеристики на светодиоди с различен дизайн

Фосфорните модели и RGB продуктите са създадени за различни индустриални и битови приложения.

Хранителни методи

Индикаторът на първите масови изпускания изразходва около 15 mA, когато се захранва от малко по-ниска стойност от два волта постоянно напрежение. Съвременните продукти имат подобрени характеристики: до четири волта и 50 mA.

Светодиодите за осветление се захранват от същото напрежение, но вече консумират няколко стотин милиампеса. Сега производителите активно разработват и проектират устройства до 1 A.

За да се увеличи ефективността на излъчването на светлина, се създават LED модули, които могат да използват последователно захранване на напрежението към всеки елемент. В този случай стойността му се увеличава до 12 или 24 волта.

Когато прилагате напрежение към светодиода, трябва да се вземе предвид полярността. Когато се прекъсне, токът не преминава и няма да има сияние. Ако се използва променлив синусоидален сигнал, тогава сиянието се появява само когато преминава положителна полувълна. Освен това силата му също се променя пропорционално според закона за появата на съответната величина на тока с полярна посока.

Трябва да се отбележи, че при обратно напрежение е възможно разрушаване на полупроводниковия възел. Появява се при превишаване на 5 волта на един монокристал.

Методи за управление

За да регулирате яркостта на излъчената светлина, се използва един от двата метода на управление:

1. величината на свързаното напрежение;

2. използване Модулна широчина на импулса - ШИМ.

Първият метод е прост, но неефективен. Когато нивото на напрежението падне под определен праг, светодиодът може просто да изгасне.

Методът PWM елиминира това явление, но е много по-сложен в техническото изпълнение. Токът, преминат през полупроводниковия възел на монокристала, се подава не от постоянна форма, а от импулсна висока честота със стойност от няколкостотин до хиляда херца.

Чрез промяна на ширината на импулсите и паузите между тях (процесът се нарича модулация), яркостта на сиянието се регулира в широк диапазон. Образуването на тези токове чрез монокристали се извършва от специални програмируеми управляващи блокове със сложни алгоритми.

Емисионен спектър

Честотата на излъчването, излъчващо се от светодиода, лежи в много тесен регион. Нарича се монохроматичен. Коренно се различава от вълновия спектър, излъчващ се от Слънцето, или от нажежаемите нишки на обикновените електрически крушки.

Има много дискусии за ефекта на такова осветление върху човешкото око. Резултатите от сериозни научни анализи по този въпрос обаче не са ни известни.

производство

При производството на светодиоди се използва само автоматична линия, в която робот машините работят по предварително проектирана технология.

Физическият ръчен труд на човек е напълно изключен от производствения процес.

Обучените специалисти осъществяват само контрол върху правилния ход на технологиите.

Анализът на качеството на продуктите също е тяхна отговорност.