Устройство, излучающее свет

Если мы переведем с английского словосочетание light emitting diode (сокращенно LED), то получим красивое и романтичное предложение: «Диод, излучающий свет». Так что же это такое? Это такой полупроводниковый девайс, как сейчас модно говорить, который трансформирует привычный нам электрический ток в то самое излучение светом. Светодиод творит чудеса и, в какой-то мере, получается.

Но так было не всегда. На первых этапах развития, мир светодиодов был ограничен и они использовались как показатель индикации. Но технологии не стоят на месте, и есть прогнозы экспертов, которые говорят что светодиод в ближайшие два десятилетия полностью вытеснит привычные нам лампы накаливания и даже энергосберегающие лампы.

Как и из чего сделан?

Светодиод имеет корпус с выводами для контактов, внутри его есть подложка с кристаллом из полупроводника и оптической специальной системой. Раньше светодиоды были более массивными, когда применялись для обозначения работы приборов при индикации. А теперь же светодиод – миниатюрное устройство, которое радует глаз и даже кошельки потребителей.

Как это работает?

Чтобы понять, как работает светодиод, давайте взглянем на это устройство более внимательно. Перед нами прибор с дырочным электронным р-n переходом, производящий при проходе через него тока оптическое излучение, которое мы и видим. Может быть и немного иной принцип работы светодиода: используется взаимодействие «металл с полупроводником».

Что такое р-n переход и зачем он используется в светодиоде?

Этот переход является «изюминкой» в электронике на основе полупроводников. Это некий сплав двух полупроводников, которые имеют, однако, отличные друг от друга типы проводимости ( так называемый «п-тип», где имеется излишнее количество электронов, а другой «дырчатый» тип – «р- тип», где есть излишнее количество дырок). Фокус заключается в том, что если провести так называемое «прямое смещение», то есть подсоединить к р-n переходу прямой электрический ток (плюсовой контакт к р-части), то через р-n переход побежит желанный нам электрический ток.

Что происходит дальше в корпусе светодиода после того, как после «прямого смещения» через р-n переход побежал ток? Происходит сплавление носителей различных электрических зарядов – в нашем случае речь идет о дырках и электронах. Последние, имеющие отрицательный заряд, «паркуются» в своих противоположностях – заряженных со знаком плюс ионах полупроводника (его кристаллической решетки). Как же получается свет? Вот от этого процесса все и происходит во время работы устройства. А точнее, когда сталкиваются электрон и дырка, то производится определенная энергия: квант света под названием «фотон».

Всегда ли неизменен этот принцип работы прибора? Нет. Дело в том, что р-n переход не обязательно излучает требуемый свет. В работающей области светодиода ширина запрещенной зоны обязана быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Также вероятность излучения при соединении пар электронов и дырочек обязана быть довольно высокой.

Кристалл полупроводниковый в этом случае должен быть бездефектным, или быть, если это невозможно, мало дефектным. Потому что как раз из-за дефектов кристалла не происходит изучение света. Одно, получается, противоречит другому.

Если светодиод нужен рабочий, то работает рационализаторская жилка. Например, приходится производить многослойные полупроводники более чем с одним р-n переходом в кристалле. Речь идет о таком понятии как гетеро структура, которая стала объектом пристального внимания российского физика Жореса Алферова (он — Лауреат ленинской премии, плюс директор Физико — Технического института им. А.Ф. Иоффе). В 2000 м году ему была присуждена Нобелевская премия за работы в области гетеро структур.

Устройство светодиода

Как и всякое высоко-технологичное устройство, светодиод имеет не один тип корпуса, но мы рассмотрим стандартный. Обычно кристалл «прячется» в 5 миллиметровый корпус, где сверху идет линза, а снизу рефлектор. Анод и катод – это два традиционных вывода светодиода. Параболический отражатель – рефлектор из алюминия располагается на катоде. Если присмотреться к рефлектору, то он напоминает чашку, на днище которой и помещают кристалл, излучающий свет.

Рабочий элемент в нашем случае – монокристалл из полупроводника, в светодиоде используется как кубик (чип) с параметрами 0,3х0,3х0.25 мм. Этот монокристалл несет в себе омические контакты и р-n переход или гетеропереход. Кусочек золотой проволоки является тем мостиком , что соединяет кристалл с анодом.

Корпус светодиода прозрачен, сделан из полимера, и он не избегает работы: это еще и фокусирующая линза! Вкупе с рефлектором. Корпус светодиода совместно с рефлектором и детерминируют угол излучения.

Цветность и яркость

Мощные светодиоды, как правило, яркие, сильные в излучении, а для яркости важна степень прозрачности n-области (пленки полупроводников практически прозрачные и очень тонки). Цвет и частота излучения прямо связаны с энергией фотонов и на эти параметры влияют те материалы, из которых сделаны полупроводниковые р-п переходы. К примеру, монкристалл GaAs производит инфракрасный луч. Но если произвести небольшое добавление А1 или Р, то светодиод поменяет в итоге свое излучение на красный цвет. А вот GaP производит свет зеленый. Если мы желаем получить желтое излучение светодиода, то тогда в дело идет р-n переход с композицией А1InGaP.

Насколько энергоэффективен светодиод?

Светодиод не отличается «прожорливостью» в плане потребления электроэнергии. При токе 10-30 мА и напряжении 2-4 В расходуется от 20 до 120 мВт. Принцип экономии здесь соблюдается отлично: традиционная лампа накаливания небольших размеров «кушает» 12 В, и ток ей нужен уже 50-100 Ма.

А какова ваша сила, господин светодиод?

Производство светодиодов расширяется, и производители стараются, чтобы каждый светодиод максимально полно удовлетворял потребности клиента. Например, есть мощные светодиоды и все большая потребность в них. Как это достигается? Три в одном, говоря рекламным языком. Чтобы поднять мощность, в единый корпус устанавливают не один, и не два, а несколько кристаллов одного цвета, чтобы они излучали свет одновременно.

Повышенная мощность светодиодов достигается чаще всего четырьмя такими кристаллами в одном корпусе.

Ультраяркость

Чтобы достичь яркой работы светодиодов, выпускаются так называемые «ультраяркие» экземпляры. Мощность ультраярких светодиодов доходит до 60 мВт (это где-то 1/16 вт) и если для работы их поместить в средний по размерам корпус, то для мощной хорошей подсветки будет необходимо их установить от 15 до 20 штук.

Действительно, «суперяркий» средний светодиод несет в себе мощность в 240мВт (это 1/4 Вт) и чтобы получить нормальную подсветку светодиода (в не самом большом, но и не маленьком) корпусе нам потребуется от 4 до 8 штук светодиодов . Очень мощные светодиоды – это такие, у которых мощность отсчитывается уже от одного Ватта, и это весьма эффективные светодиоды, потому что буквально одним или двумя такими штуками можно спокойно подсветить весь корпус.

Где используют светодиоды

В современном мире светодиод занял важное место. Они красуются там, где нужна локальная подсветка. Интенсивность ее при помощи светодиодов можно регулировать от яркой до своей противоположности — тусклой. Светодиоды хорошо справляются с созданием праздничной атмосферы, особенно это актуально сейчас, в преддверии Рождества и Нового Года. Переливаясь самыми разными оттенками, они радуют взрослых и детвору своими яркими красками. Для работы светодиодных фонарей, бегущей рекламной или информационной строки опять же светодиод – оптимальное решение.

Наконец, светодиод вовсю уже помогает нам упорядочить все нарастающий хаос в автомобильном и пешеходном движении в городах и поселках. Светодиоды «пашут» в еще одной сфере: дорожное регулирование, где используются в работе светофоров.

Основное достоинство светодиодов — это их способность производить свет, потребляя при этом сравнительно малое количество энергии. Именно поэтому светодиоды интенсивно исследуются и совершенствуются, находят все более широкое применение в самых различных сферах. Иными словами, Господин Светодиод уверенно шагает по нашей планете и ему уступают дорогу как важному и полезному гостю.

Михаил Берсенев

Сравнение мощного светодиода с галогенной лампой: