Dioda electro luminiscenta | |
---|---|
Tip de | Element electronic activ |
Principiul de funcționare | electroluminiscență |
inventat |
Henry Round (1907) Oleg Losev (1927) Nick Holonyak (1962) |
Mai întâi creat | 1962 |
Desemnarea simbolului | |
Configurare pin | anod și catod |
Dioda emițătoare de lumină sau dioda emițătoare de lumină (LED, LED; în engleză diodă emițătoare de lumină, LED ) este un dispozitiv semiconductor cu o joncțiune electron-gaură care creează radiație optică atunci când un curent electric este trecut prin el în direcția înainte.
Lumina emisă de LED se află într-o gamă îngustă a spectrului , adică LED-ul emite inițial lumină aproape monocromatică (dacă vorbim de LED-uri în domeniul vizibil) - spre deosebire de lampa , care emite un spectru mai larg, din care se poate obtine o anumita culoare a stralucirii numai prin folosirea unui filtru de lumina . Gama spectrală a unei radiații LED depinde în principal de tipul și compoziția chimică a semiconductorilor utilizați și de banda interzisă .
Când un curent electric trece printr-o joncțiune pn în direcția înainte, purtătorii de sarcină - electroni și găuri - se deplasează unul spre celălalt și se recombină în stratul epuizat al diodei cu emisia de fotoni datorită tranziției electronilor de la un nivel de energie. la altul [1] ..
Nu toate materialele semiconductoare emit în mod eficient lumină atunci când sunt recombinate . Emițătorii eficienți se referă la semiconductori cu intercalare directă , adică cei în care sunt permise tranziții optice directe între benzi, de tip A III B V (de exemplu, GaAs sau InP ) și de tip A II B VI (de exemplu, ZnSe sau CdTe ). Prin variarea compoziției semiconductorilor, este posibil să se creeze LED-uri pentru toate lungimile de undă posibile de la ultraviolet ( GaN ) la infraroșu mediu ( PbS ).
Diodele realizate din semiconductori cu decalaj indirect (cum ar fi siliciu , germaniu sau carbură de siliciu ) emit puțină sau deloc lumină. În legătură cu dezvoltarea tehnologiei cu siliciu, se lucrează la crearea de LED-uri pe bază de siliciu. LED-ul galben sovietic KL101 pe bază de carbură de siliciu a fost produs în anii 70, dar avea o luminozitate foarte scăzută. Recent, mari speranțe sunt asociate cu tehnologia punctelor cuantice și a cristalelor fotonice .
Primul raport cunoscut despre emisia de lumină de către o diodă în stare solidă a fost făcut în 1907 de experimentatorul britanic Henry Round de la Marconi Labs . Round a fost primul care a descoperit și descris electroluminiscența , pe care a descoperit-o în timp ce studia trecerea curentului într-o pereche metal- carbură de siliciu (carborundum, formula chimică SiC) și a observat apariția unei străluciri galbene, verzi și portocalii la catodul dispozitivul.
Aceste experimente au fost mai târziu, independent de Round, repetate în 1923 de O. V. Losev , care, în timp ce experimenta în laboratorul radio Nijni Novgorod cu detectoare cu cristal de unde radio, a văzut o strălucire la punctul de contact a două materiale diferite, cele mai puternice - într-un pereche de carborundum - un ac de oțel, astfel. Astfel, el a descoperit electroluminiscența unei joncțiuni semiconductoare (la acea vreme conceptul de „ joncțiune semiconductoare ” nu exista încă) [2] .
Observarea efectului electroluminiscenței la punctul de contact dintre carborundum și oțel a fost publicată de el în jurnalul sovietic Telegraphy and Telephony without Wires, iar în 1927 a primit un brevet (în brevet dispozitivul este numit „releu de lumină” ). Losev a murit în Leningradul asediat în 1942, iar munca sa a fost uitată, publicația nu a fost observată de comunitatea științifică, iar mulți ani mai târziu LED-ul a fost inventat în străinătate. [3] .
Losev a arătat că electroluminiscența are loc în apropierea joncțiunii materialelor [4] . Deși nu a existat o explicație teoretică pentru fenomenul observat, Losev a apreciat semnificația practică a descoperirii sale. Datorită efectului electroluminiscenței, a devenit posibilă crearea unei surse de lumină de dimensiuni mici, cu o tensiune de alimentare foarte scăzută pentru acea perioadă (mai puțin de 10 V) și cu viteză mare. El a numit viitorul dispozitiv „ Releu de lumină” și a primit două certificate de drepturi de autor, a aplicat pentru primul dintre ele în februarie 1927. [2]
În 1961 , James Robert Bayardși Gary Pittman de la Texas Instruments , independent de Losev, au descoperit tehnologia pentru fabricarea unui LED cu infraroșu pe bază de arseniură de galiu (GaAs). După ce au primit un brevet în 1962, a început producția lor industrială.
Primul LED practic din lume care funcționează în gama de lumină (roșu) a fost dezvoltat de Nick Holonyak la Universitatea din Illinois pentru General Electric Company în 1962. Holonyak este astfel considerat „părintele LED-ului modern”. Fostul său elev, George Craford, a inventat primul LED galben din lume și a crescut luminozitatea LED-urilor roșii și roșu-portocalii de 10 ori în 1972. În 1976, T. Pearsol a creat primul LED de înaltă eficiență, de înaltă luminozitate pentru aplicații de telecomunicații, special adaptat pentru transmisia de date prin linii de comunicație cu fibră optică .
LED-urile au rămas foarte scumpe până în 1968 (aproximativ 200 USD bucata), așa că aplicarea lor practică a fost limitată. Cercetarile lui Jacques Pankov la laboratorul RCA au dus la productia industriala de LED-uri, in 1971 el si colegii sai au obtinut o stralucire albastra din nitrura de galiu si au creat primul LED albastru [5] [6] [ 7] [8] . Monsanto a fost prima companie care a produs în masă LED-uri care funcționează în intervalul de lumină vizibilă și aplicabile în indicatoare . Hewlett -Packard a folosit indicatori LED în calculatoarele lor de buzunar de masă timpurii.
La mijlocul anilor 1970, la FTI im. Grupul A. F. Ioffe condus de Zhores Alferov a obținut noi materiale – heterostructuri semiconductoare, utilizate în prezent pentru crearea diodelor emițătoare de lumină laser [9] [10] . După aceea, a început producția industrială în serie de LED-uri bazate pe heterostructuri. Descoperirea a fost distinsă cu Premiul Nobel în 2000 [11] . În 1983, Citizen Electronics a fost pionier în dezvoltarea și producția de LED-uri SMD, numindu-le CITILED [12] .
La începutul anilor 1990, Isama Akasaki, care a lucrat cu Hiroshi Amano la Universitatea Nagoya, și Shuji Nakamura , pe atunci cercetător la corporația japoneză Nichia Chemical Industries , au inventat tehnologia LED albastru . În 2014, cei trei au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea tehnologiei de fabricare a unui LED albastru ieftin [13] [14] . În 1993, Nichia și-a început producția comercială.
Ulterior, pe baza de LED-uri albastre, au fost realizate cele albe , formate dintr-un cristal emitator de albastru acoperit cu un fosfor pe baza de granat de ytriu-aluminiu dopat cu ceriu trivalent (YAG). Fosforul absoarbe o parte din radiația albastră și se reemite în regiunea galben-verde, permițându-vă să creați lumină albă . Nichia a început producția comercială de LED-uri albe în 1996 [15] . Curând, LED-urile albe au început să fie utilizate pe scară largă în iluminat. Pe baza LED-urilor albe, au fost dezvoltate lanterne LED , lămpi , lămpi pentru diverse scopuri (inclusiv lampi stradale ), spoturi , benzi LED și alte surse de lumină. În 2003, Citizen Electronics a fost primul din lume care a produs un modul LED patentat prin montarea directă a unui cip Nichia pe un substrat de aluminiu folosind adeziv dielectric Chip-On-Board . LED-urile albe au făcut posibilă crearea de iluminare de fundal eficientă pentru ecranele LCD color , ceea ce a contribuit la utilizarea pe scară largă a acestora pe dispozitive mobile, tablete și smartphone-uri.
Combinația de lumină LED albastră, verde și roșie are ca rezultat o lumină albă cu o eficiență energetică ridicată, ceea ce a dus la dezvoltarea, printre altele, a corpurilor de iluminat cu LED și a ecranelor cu iluminare din spate LED.
LED într-o carcasă din plastic
LED cu infraroșu folosit în telecomenzi
Lampă LED (panou) pentru iluminare direcțională scenica
LED fosfor modern într-o lanternă electrică de mână
Lampa LED pentru soclu standard E27
LED alb puternic de 20 W față de LED indicator roșu de 5 mm
White COB - LED cu o putere de 100 W, tensiune de alimentare de 36 V. Spre deosebire de LED-urile convenționale, acesta este format din multe LED-uri albastre combinate într-un singur cristal și cu un strat de fosfor comun [16]
Diferențele schematice dintre LED-urile SMD și CSP [17]
LED-uri moderne super-luminoase de mare putere pe o placă radiator cu contacte pentru instalarea electrică
Caracteristica curent-tensiune a LED-urilor în direcția înainte este neliniară. Dioda începe să conducă curentul de la o anumită tensiune de prag. Valoarea acestei tensiuni vă permite să determinați cu precizie materialul semiconductorului.
LED-ul funcționează prin trecerea curentului prin el în direcția înainte (adică anodul trebuie să fie la un potențial pozitiv în raport cu catodul ).
Datorită creșterii puternice a caracteristicii curent-tensiune a joncțiunii pn în direcția înainte, LED-ul trebuie conectat la o sursă de curent . Conectarea la o sursă de tensiune trebuie făcută printr-un element (sau circuit electric ) care limitează curentul, de exemplu, printr-un rezistor . Unele modele de LED-uri pot avea un circuit încorporat care limitează curentul consumat, caz în care specificația pentru acestea indică domeniul de tensiuni admisibile ale sursei de alimentare.
Conectarea unui LED direct la o sursă de tensiune cu rezistență internă scăzută care depășește căderea de tensiune declarată de producător pentru un anumit tip de LED poate cauza trecerea curentului prin el peste curentul maxim admisibil, determinând supraîncălzirea cristalului și cauzarea unei defecțiuni instantanee. În cel mai simplu caz, pentru LED-urile indicatoare de putere mică, circuitul de limitare a curentului este un rezistor în serie cu LED-ul. Pentru LED-urile de mare putere, se folosesc circuite PWM , care mențin curentul mediu prin LED la un anumit nivel și, dacă este necesar, vă permit să ajustați luminozitatea acestuia.
Este inacceptabil aplicarea tensiunii cu polaritate inversă la LED-uri de la o sursă cu rezistență internă scăzută . LED-urile au o tensiune de defalcare inversă scăzută (de câțiva volți). În circuitele în care este posibilă tensiune inversă, LED-ul trebuie protejat de o diodă convențională conectată în paralel în polaritate opusă.
LED-urile convenționale sunt fabricate dintr-o varietate de materiale semiconductoare anorganice, următorul tabel listează culorile disponibile cu intervalul de lungimi de undă, căderea tensiunii diodei la curentul direct nominal și materialul semiconductor:
Culoare | lungime de unda (nm) | Tensiune directă (V) |
material semiconductor | |
---|---|---|---|---|
Infraroşu | λ > 760 | ΔU < 1,9 | Arseniură de galiu (GaAs) (940 nm) Fosfură de arseniură de galiu (GaAsP) (940 nm) Arsenaniură de galiu aluminiu (AlGaAs) (880 nm) | |
roșu | 610 < λ < 760 | 1,63 < ΔU < 2,03 | Fosfură de galiu (III) (GaP) (700 nm) Arsenaniură de aluminiu galiu (AlGaAs) (660 nm) Fosfură de aluminiu, galiu indiu (AlGaInP) (625-630 nm) Arsenaniură de galiu (GaAsP), (625 nm) acoperit cu LED albastru fosfor (LED roșu PC) | |
Portocaliu ( chihlimbar ) |
590 < λ < 610 | 2,03 < ΔU < 2,10 | Fosfură de aluminiu galiu indiu (AlGaInP) (601-609 nm) Fosfură de arseniură de galiu (GaAsP) (607 nm) LED albastru acoperit cu fosfor (LED chihlimbar PC) | |
Galben | 570 < λ < 590 | 2,10 < ΔU < 2,18 | Fosfură de arseniură de galiu (GaAsP) (590 nm) Fosfură de aluminiu, galiu-indiu (AlGaInP) (590 nm) | |
Verde | 500 < λ < 570 | 1,9 [18] < ΔU < 4,0 | Galiu(III) Fosfură (GaP) (568 nm) Aluminiu Galiu Indiu Fosfură (AlGaInP) (570 nm) Aluminiu Galiu fosfură (AlGaP) (570 nm) Indiu Galiu Nitrură (InGaN) (525 nm) LED albastru, acoperit cu fosfor LED var) | |
Albastru verde [19] | 500 < λ < 510 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Nitrură de indiu galiu (InGaN) (505 nm) | |
Albastru | 450 < λ < 500 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Nitrură de indiu galiu (InGaN) (450-470 nm) Selenura de zinc (ZnSe) Substrat de carbură de siliciu (SiC) Substrat de siliciu (Si) - (în dezvoltare) | |
violet | 400 < λ < 450 | 2,76 < ΔU < 4,0 | Nitrură de indiu galiu (InGaN) (405-440 nm) | |
Violet | Un amestec de mai multe benzi spectrale | 2,48 < ΔU < 3,7 | LED albastru cu fosfor roșu Dublu: diode albastre și roșii într-un singur pachet LED alb cu filtru magenta | |
UV | λ < 400 | 3,1 < ΔU < 4,4 | Diamant (235 nm) [20] Nitrură de bor (215 nm) [21] [22] | |
alb | Gamă spectrală largă | ∆ U ≈ 3,5 | LED albastru (mai comun), violet sau ultraviolet acoperit cu fosfor Combinație de trei LED-uri de culoare primară (roșu, albastru, verde) |
În ciuda faptului că LED-urile albe sunt produse pe scară largă în lume în combinație cu un LED albastru/violet cu un fosfor luminescent galben sau portocaliu aplicat pe acesta , este posibil să se utilizeze fosfor de o culoare strălucitoare diferită. Ca urmare a aplicării unui fosfor roșu, se obțin LED-uri mov sau roz, mai rar sunt produse LED-uri de culoare verde, unde unui LED cu radiație albastră se aplică un fosfor cu o culoare verde de luminescență.
LED-urile pot avea și o carcasă de filtru colorată.
În 2001, Citizen Electronics a fost primul din lume care a produs un LED SMD color pastel, numit PASTELITE [25] .
În comparație cu alte surse de lumină electrică, LED-urile au următoarele diferențe:
Introducerea pe scară largă a LED-urilor de diferite modele pentru a economisi energie electrică în iluminat a relevat faptul că unele dintre ele au un spectru care diferă semnificativ de spectrul luminii naturale. Acest lucru poate afecta negativ sănătatea oamenilor. Cercetările efectuate au permis dezvoltarea unor LED-uri noi, mai perfecte din punct de vedere igienic [28] . Cu toate acestea, sunt utilizate pe scară largă și produse de calitate inferioară, dar mai economice.
iluminatul camerei
La semafoare
În farurile mașinii
aplicare decorativă
Spot LED
Iluminare cu o linie de LED-uri în iPod Touch 2G
OLED-urile sunt de obicei formate ca structuri de peliculă subțire cu mai multe straturi făcute din compuși organici care emit în mod eficient lumină atunci când trece un curent electric prin ele.
OLED își găsește principala aplicație în crearea de dispozitive de afișare a informațiilor matriceale (display-uri). Se presupune că producția unor astfel de afișaje OLED va fi mult mai ieftină decât cea a ecranelor cu cristale lichide .
Principala problemă pentru OLED este timpul de funcționare continuă, care ar trebui să fie de cel puțin 15 mii de ore. O problemă care împiedică în prezent adoptarea pe scară largă a acestei tehnologii este că OLED-ul roșu și OLED-ul verde pot funcționa continuu fără atenuare timp de zeci de mii de ore mai mult decât OLED -ul albastru [30] . Scăderea luminozității OLED-urilor albastre de-a lungul timpului distorsionează vizual reproducerea culorilor, iar durata redării culorilor de înaltă calitate s-a dovedit a fi inacceptabil de scurtă pentru un dispozitiv oferit comercial. Deși astăzi OLED-ul albastru a atins încă o durată de viață de 17,5 mii de ore (2 ani) de funcționare continuă [31] .
Ecranele OLED sunt folosite în cele mai recente modele de telefoane mobile , navigatoare GPS , televizoare OLED și dispozitive de vedere pe timp de noapte .
Module LED cu control individual, așa-numitele Smart LED. Acestea conțin mai multe tipuri de LED-uri și un circuit de control digital integrat într-un singur pachet.
Modulul LED WS2812 are trei LED-uri (roșu, albastru și verde). Circuitul de control controlează luminozitatea fiecărui LED, ceea ce vă permite să obțineți aproape orice culoare de strălucire. În unele module LED, de exemplu, SK6812W, pe lângă trioul de LED-uri RGB, există un LED alb (acoperire cu fosfor). Modulul este de obicei controlat printr-o magistrală serială dintr-un singur fir. Pentru a codifica un zero și unu logic, sunt utilizate semnale cu o durată specificată rigid. Fiecare modul LED are linii de date de intrare și de ieșire. La sfârșitul programării unui modul, circuitul său de control este oprit și transmite în continuare semnalele de control direct de la intrare la ieșire prin el însuși, ceea ce permite următorului pachet de date să programeze luminozitatea următorului modul din lanțul de module, și așa mai departe, până când toate modulele LED din lanț sunt programate.
În ceea ce privește veniturile, liderul este japoneza „ Nichia Corporation ” [32] .
De asemenea, un producător important de LED-uri este Royal Philips Electronics , care are o politică de achiziție de companii LED. Așadar, Hewlett-Packard și-a vândut divizia Lumileds Lighting către Philips în 2005 , iar în 2006 au fost achiziționate Color Kinetics și TIR Systems, companii cu o rețea tehnologică largă pentru producția de LED-uri albe.
Nichia Chemical este o divizie a Nichia Corporation unde au fost dezvoltate pentru prima dată LED-urile albe și albastre . În acest moment, ea deține conducerea în producția de LED-uri ultra-luminoase: alb, albastru și verde. Pe lângă giganții industriali de mai sus, trebuie remarcate și următoarele companii: „ Cree ”, „Emcore Corp.”, „Veeco Instruments”, „Seoul Semiconductor” și „Germania Aixtron”, care sunt angajate în producția de cipuri și LED-uri discrete individuale.
LED-urile strălucitoare pe substraturi cu carbură de siliciu sunt produse de compania americană Cree .
Cei mai mari [33] producători de LED-uri din Rusia și Europa de Est sunt Optogan și Svetlana-Optoelectronics . „Optogan” a fost creat cu sprijinul Corporației de Stat „ Rosnano ”. Producția companiei este situată în Sankt Petersburg . Optogan este angajată atât în producția de LED-uri, cât și de cipuri și matrice LED și este, de asemenea, implicată în introducerea LED-urilor pentru iluminatul general.
Svetlana-Optoelectronics (Sankt. Petersburg) reunește întreprinderi care desfășoară un ciclu tehnologic complet pentru dezvoltarea și producția de sisteme de iluminat cu LED: de la creșterea epitaxială a plachetelor semiconductoare cu heterostructuri până la sisteme automate complexe de control al luminii inteligente.
De asemenea, fabrica Samsung Electronics din regiunea Kaluga poate fi numită o întreprindere mare pentru producția de LED-uri și dispozitive bazate pe acestea .
În 2021, pe teritoriul clusterului de inovare Technopolis GS a fost deschisă o unitate de producție pentru ambalarea LED-urilor GS. Aceasta este cea mai înaltă producție similară din Rusia. [34]
Dicționare și enciclopedii | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
Diode semiconductoare | ||
---|---|---|
Prin programare | ||
LED-uri | ||
Rectificarea | ||
Diode generatoare | ||
Surse de tensiune de referință | ||
Alte | ||
Vezi si |
|
Concepte | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Modul de apariție |
| ||||||||||||||
Alte surse de lumină | |||||||||||||||
Tipuri de iluminat |
| ||||||||||||||
Corpuri de iluminat |
| ||||||||||||||
Articole similare |