Устройство, излучающее свет

Дата публикации: 9 декабря 2014

СветодиодыЕсли 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

Устройство светодиодаКак 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

Применение светодиодовВ 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:

Наверх