Světelná dioda | |
---|---|
Typ | Aktivní elektronický prvek |
Princip činnosti | elektroluminiscence |
vynalezl |
Henry Round (1907) Oleg Losev (1927) Nick Holonyak (1962) |
Nejprve vytvořeno | 1962 |
Označení symbolu | |
Konfigurace pinů | anoda a katoda |
Light -emitting diode nebo light-emitting diode (LED, LED; anglicky light-emitting diode, LED ) je polovodičová součástka s přechodem elektron-díra , která vytváří optické záření , když jí prochází elektrický proud v propustném směru.
Světlo vyzařované LED leží v úzkém rozsahu spektra , to znamená, že LED zpočátku vyzařuje téměř monochromatické světlo (pokud mluvíme o LED ve viditelné oblasti) - na rozdíl od lampy , která vyzařuje širší spektrum, ze kterého lze určitou barvu záře získat pouze použitím světelného filtru . Spektrální rozsah záření LED závisí především na typu a chemickém složení použitých polovodičů a zakázaném pásmu .
Když elektrický proud prochází pn přechodem v propustném směru, nosiče náboje - elektrony a díry - se pohybují k sobě a rekombinují se ve vyčerpané vrstvě diody s emisí fotonů v důsledku přechodu elektronů z jedné energetické hladiny. do jiného [1] ..
Ne všechny polovodičové materiály při rekombinaci účinně vyzařují světlo . Efektivními zářiči jsou polovodiče s přímou mezerou , tedy takové, ve kterých jsou povoleny přímé optické mezipásmové přechody, typ A III B V (například GaAs nebo InP ) a typ A II B VI (například ZnSe nebo CdTe ). Změnou složení polovodičů je možné vytvořit LED pro všechny možné vlnové délky od ultrafialové ( GaN ) po střední infračervenou ( PbS ).
Diody vyrobené z polovodičů s nepřímou mezerou (jako je křemík , germanium nebo karbid křemíku ) vyzařují málo nebo žádné světlo. V souvislosti s rozvojem křemíkové technologie se pracuje na vytvoření LED diod na bázi křemíku. Sovětská žlutá LED KL101 na bázi karbidu křemíku byla vyrobena již v 70. letech, ale měla velmi nízkou svítivost. V poslední době jsou velké naděje spojeny s technologií kvantových teček a fotonických krystalů .
První známá zpráva o emisi světla polovodičovou diodou byla vytvořena v roce 1907 britským experimentátorem Henrym Roundem z Marconi Labs [ . Round jako první objevil a popsal elektroluminiscenci , kterou objevil při studiu průchodu proudu v páru kov- karbid křemíku (karborundum, chemický vzorec SiC), a zaznamenal výskyt žluté, zelené a oranžové záře na katodě. zařízení.
Tyto experimenty byly později nezávisle na Roundovi zopakovány v roce 1923 O. V. Losevem , který při pokusech v radiové laboratoři v Nižním Novgorodu s krystalovými detektory rádiových vln spatřil záři v místě kontaktu dvou rozdílných materiálů, nejsilnější - v dvojice karborundum - ocelová jehla, např. Tak objevil elektroluminiscenci polovodičového přechodu (v té době ještě pojem " polovodičový přechod " neexistoval) [2] .
Pozorování účinku elektroluminiscence v místě kontaktu mezi karborundem a ocelí publikoval v sovětském časopise Telegraphy and Telephony without Wires a v roce 1927 získal patent (v patentu se zařízení nazývá „světelné relé“ ). Losev zemřel v obleženém Leningradu v roce 1942 a jeho práce byla zapomenuta, vědecká komunita si publikace nevšimla a o mnoho let později byla LED vynalezena v zahraničí. [3] .
Losev ukázal, že elektroluminiscence se vyskytuje v blízkosti spojení materiálů [4] . Přestože pro pozorovaný jev neexistovalo žádné teoretické vysvětlení, Losev ocenil praktický význam svého objevu. Díky efektu elektroluminiscence bylo možné vytvořit malý světelný zdroj s velmi nízkým napájecím napětím na tu dobu (méně než 10 V) a vysokou rychlostí. Budoucí zařízení nazval „Light Relay “ a obdržel dva autorské certifikáty, o první z nich požádal v únoru 1927. [2]
V roce 1961 James Robert Bayarda Gary Pittman z Texas Instruments , nezávisle na Losevovi, objevili technologii výroby infračervené LED na bázi arsenidu galia (GaAs). Po obdržení patentu v roce 1962 začala jejich průmyslová výroba.
První praktická LED na světě pracující ve světelné (červené) řadě vyvinul Nick Holonyak na University of Illinois pro General Electric Company v roce 1962. Holonyak je tak považován za „otce moderní LED“. Jeho bývalý student, George Craford, vynalezl první žlutou LED na světě a v roce 1972 zvýšil jas červených a červeno-oranžových LED 10krát. V roce 1976 vytvořil T. Pearsol první vysoce účinnou, vysoce svítivou LED na světě pro telekomunikační aplikace, speciálně upravenou pro přenos dat přes komunikační linky z optických vláken .
LED zůstaly velmi drahé až do roku 1968 (asi 200 $ za kus), takže jejich praktické použití bylo omezené. Výzkum Jacquese Pankova v laboratoři RCA vedl k průmyslové výrobě LED, v roce 1971 on a jeho kolegové získali modrou záři z nitridu galia a vytvořili první modrou LED [5] [6] [ 7] [8] . Monsanto byla první společností, která sériově vyráběla LED diody pracující v oblasti viditelného světla a použitelné v indikátorech . Společnost Hewlett - Packard používala LED indikátory ve svých raných kapesních kalkulačkách.
V polovině 70. let na FTI im. Skupina A. F. Ioffe vedená Zhoresem Alferovem získala nové materiály – polovodičové heterostruktury, v současnosti používané k vytváření laserových světelných diod [9] [10] . Poté začala sériová průmyslová výroba LED na bázi heterostruktur. Objev byl oceněn Nobelovou cenou v roce 2000 [11] . V roce 1983 byla společnost Citizen Electronics průkopníkem vývoje a výroby LED diod SMD a nazvala je CITILED [12] .
Na počátku 90. let Isama Akasaki, který spolupracoval s Hiroshi Amanem na univerzitě v Nagoya, a Shuji Nakamura , tehdejší výzkumník japonské korporace Nichia Chemical Industries , vynalezli technologii modrých LED . V roce 2014 byli všichni tři oceněni Nobelovou cenou za fyziku za objev technologie výroby levné modré LED [13] [14] . V roce 1993 Nichia zahájila svou komerční produkci.
Později byly na bázi modrých LED vyrobeny bílé , skládající se z modře emitujícího krystalu potaženého fosforem na bázi yttrium-hliníkového granátu dopovaného trojmocným cerem (YAG). Fosfor absorbuje část modrého záření a znovu vyzařuje ve žlutozelené oblasti, což vám umožňuje vytvářet bílé světlo . Nichia zahájila komerční výrobu bílých LED v roce 1996 [15] . Brzy se bílé LED diody začaly široce používat v osvětlení. Na bázi bílých LED byly vyvinuty LED svítilny , lampy , lampy pro různé účely (včetně pouličních lamp ), reflektory , LED pásky a další světelné zdroje. V roce 2003 společnost Citizen Electronics jako první na světě vyrobila patentovaný LED modul přímou montáží čipu Nichia na hliníkový substrát pomocí dielektrického lepidla Chip-On-Board . Bílé LED diody umožnily vytvořit efektivní podsvícení barevných LCD obrazovek , což přispělo k jejich širokému použití v mobilních zařízeních, tabletech a chytrých telefonech.
Výsledkem kombinace modrého, zeleného a červeného LED světla je bílé světlo s vysokou energetickou účinností, což vedlo mimo jiné k vývoji LED svítidel a LED podsvícených obrazovek.
LED v plastovém pouzdře
Infračervená LED používaná v dálkových ovladačích
LED lampa (panel) pro scénické směrové osvětlení
Moderní fosforová LED v ruční elektrické svítilně
LED žárovka pro standardní patici E27
Výkonná 20W bílá LED vs. 5mm červená indikační LED
Bílá COB - LED o výkonu 100 W, napájecí napětí 36 V. Na rozdíl od běžných LED se skládá z mnoha modrých LED sdružených v jednom krystalu a se společným fosforovým povlakem [16]
Moderní vysoce výkonné supersvítivé LED na desce chladiče s kontakty pro elektroinstalaci
Proudově napěťová charakteristika LED v propustném směru je nelineární. Dioda začne vést proud od určitého prahového napětí. Hodnota tohoto napětí umožňuje přesně určit materiál polovodiče.
LED funguje tak, že jí prochází proud v propustném směru (to znamená, že anoda musí mít kladný potenciál vzhledem ke katodě ).
Vzhledem k prudce rostoucí charakteristice proudového napětí pn přechodu v propustném směru musí být LED připojena ke zdroji proudu . Připojení ke zdroji napětí musí být provedeno přes prvek (nebo elektrický obvod ), který omezuje proud, například přes odpor . Některé modely LED mohou mít vestavěný obvod, který omezuje spotřebovaný proud, v takovém případě specifikace pro ně udává rozsah přípustných napětí zdroje energie.
Připojení LED přímo ke zdroji napětí s nízkým vnitřním odporem, který překračuje výrobcem deklarovaný úbytek napětí pro konkrétní typ LED, může způsobit, že jí protéká proud přesahující maximální povolený proud, což způsobí přehřátí krystalu a okamžité selhání. V nejjednodušším případě pro indikační LED s nízkým výkonem je obvodem omezujícím proud rezistor v sérii s LED. Pro vysoce výkonné LED se používají PWM obvody , které udržují průměrný proud LED na dané úrovni a v případě potřeby umožňují upravit jeho jas.
Je nepřijatelné přivádět napětí s obrácenou polaritou na LED ze zdroje s nízkým vnitřním odporem . LED diody mají nízké (několik voltů) zpětné průrazné napětí. V obvodech, kde je možné zpětné napětí, musí být LED chráněna konvenční diodou zapojenou paralelně s opačnou polaritou.
Konvenční LED diody jsou vyrobeny z různých anorganických polovodičových materiálů, následující tabulka uvádí dostupné barvy s rozsahem vlnových délek, poklesem napětí diody při jmenovitém propustném proudu a polovodičovým materiálem:
Barva | Vlnová délka (nm) | Dopředné napětí (V) |
polovodičový materiál | |
---|---|---|---|---|
Infračervený | λ > 760 | ΔU < 1,9 | Gallium arsenid (GaAs) (940 nm) Gallium arsenid fosfid (GaAsP) (940 nm) Gallium aluminium arsenid (AlGaAs) (880 nm) | |
Červené | 610 < λ < 760 | 1,63 < ΔU < 2,03 | Gallium(III) fosfid (GaP) (700 nm) Aluminiumgallium arsenid (AlGaAs) (660 nm) Aluminiumgallium indium fosfid (AlGaInP) (625-630 nm) Gallium arsenid fosfid (GaAsP), (625 nm) Modrá LED fosfor (PC červená LED) | |
oranžová ( jantarová ) |
590 < λ < 610 | 2,03 < ΔU < 2,10 | Fosfid hliníku galium-indium (AlGaInP) (601-609 nm) Fosfid arsenidu galia (GaAsP) (607 nm) Fosforem potažená modrá LED (PC jantarová LED) | |
Žlutá | 570 < λ < 590 | 2,10 < ΔU < 2,18 | Fosfid arsenidu galia ( GaAsP ) (590 nm) Fosfid hliníku a gallia a india (AlGaInP) (590 nm) | |
Zelená | 500 < λ < 570 | 1,9 [18] < ΔU < 4,0 | Fosfid gallia (GaP) (568 nm) Fosfid hliníku a galia Indium ( AlGaInP ) (570 nm) Fosfid hliníku a galia (AlGaP) (570 nm) Nitrid indium- gallia (InGaN) (525 nm) Modrá fosforová LED (potažená svítidlem Lime LED) | |
Modrá zelená [19] | 500 < λ < 510 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Indium gallium nitrid (InGaN) (505 nm) | |
Modrý | 450 < λ < 500 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Indium gallium nitrid (InGaN) (450-470 nm) Selenid zinku (ZnSe) Substrát karbidu křemíku (SiC) Substrát křemíku (Si) - (ve vývoji) | |
fialový | 400 < λ < 450 | 2,76 < ΔU < 4,0 | Indium gallium nitrid (InGaN) (405-440 nm) | |
Nachový | Směs několika spektrálních pásem | 2,48 < ΔU < 3,7 | Modrá LED s červeným fosforem Double: modrá a červená dioda v jednom balení Bílá LED s purpurovým filtrem | |
UV | λ < 400 | 3,1 < ΔU < 4,4 | Diamant (235 nm) [20] Nitrid boru (215 nm) [21] [22] | |
Bílý | Široký spektrální rozsah | ∆ U ≈ 3.5 | Modrá (běžnější), fialová nebo ultrafialová fosforem potažená LED Kombinace tří primárních barev LED (červená, modrá, zelená) |
Navzdory tomu, že se ve světě hojně vyrábějí bílé LED v kombinaci s modro/fialovou LED s naneseným žlutým nebo oranžovým luminiscenčním luminoforem , je možné použít luminofory jiné barvy svitu. V důsledku aplikace červeného fosforu se získávají fialové nebo růžové LED, méně často se vyrábějí LED zeleně zbarvené, kde se na LED s modrým zářením aplikuje fosfor se zelenou luminiscenční barvou.
LED diody mohou mít také barevné pouzdro filtru.
V roce 2001 společnost Citizen Electronics jako první na světě vyrobila barevnou pastelově zbarvenou SMD LED s názvem PASTELITE [25] .
Ve srovnání s jinými elektrickými světelnými zdroji mají LED diody následující rozdíly:
Rozsáhlé zavedení LED různých designů pro úsporu elektřiny v osvětlení odhalilo, že některé z nich mají spektrum, které se výrazně liší od spektra přirozeného světla. To může negativně ovlivnit zdraví lidí. Provedený výzkum umožnil vývoj nových, hygienicky dokonalejších LED diod [28] . Hojně se však používají i méně kvalitní, ale ekonomičtější produkty.
osvětlení místnosti
Na semaforech
Ve světlometech auta
dekorativní aplikace
LED reflektor
Osvětlení pomocí řady LED v iPod Touch 2G
OLED jsou obvykle tvořeny jako vícevrstvé tenkovrstvé struktury vyrobené z organických sloučenin, které účinně vyzařují světlo, když jimi prochází elektrický proud.
OLED nachází hlavní uplatnění při tvorbě maticových informačních zobrazovacích zařízení (displejů). Předpokládá se, že výroba takových OLED displejů bude mnohem levnější než u displejů z tekutých krystalů .
Hlavním problémem OLED je nepřetržitá doba provozu, která by měla být minimálně 15 tisíc hodin. Jedním z problémů, který v současnosti brání širokému přijetí této technologie, je to, že červená OLED a zelená OLED mohou nepřetržitě fungovat bez stmívání o desítky tisíc hodin déle než modrá OLED [30] . Pokles jasu modrých OLED v průběhu času vizuálně zkresluje reprodukci barev a doba trvání kvalitního podání barev se ukázala být na komerčně nabízené zařízení nepřijatelně krátká. I když dnes modrá OLED stále dosahovala životnosti 17,5 tisíce hodin (2 roky) nepřetržitého provozu [31] .
OLED displeje se používají v nejnovějších modelech mobilních telefonů , GPS navigátorech, OLED televizorech a zařízeních pro noční vidění .
LED moduly s individuálním ovládáním, tzv. Smart LED. Obsahují několik typů LED a integrovaný digitální řídicí obvod v jednom balení.
Modul LED WS2812 má tři LED (červená, modrá a zelená). Řídicí obvod řídí jas každé LED, což vám umožňuje získat téměř jakoukoli barvu záře. V některých LED modulech, například SK6812W, je kromě trojice RGB LED diod ještě bílá LED (fosforový povlak). Modul je obvykle řízen přes sériovou sběrnici z jednoho vodiče. Ke kódování logické nuly a jedničky se používají signály s pevně stanoveným trváním. Každý LED modul má vstupní a výstupní datové linky. Na konci programování jednoho modulu se jeho řídicí obvod vypne a dále přes sebe předává řídicí signály přímo ze vstupu na výstup, což umožňuje dalšímu datovému paketu naprogramovat jas dalšího modulu v řetězci modulů, a tak dále, dokud nejsou naprogramovány všechny LED moduly v řetězci.
Z hlediska příjmů je lídrem japonská „ Nichia Corporation “ [32] .
Významným výrobcem LED je také Royal Philips Electronics , který má politiku akvizice LED společností. Hewlett-Packard tedy v roce 2005 prodal svou divizi Lumileds Lighting společnosti Philips a v roce 2006 byly získány společnosti Color Kinetics a TIR Systems, společnosti s širokou technologickou sítí na výrobu bílých LED.
Nichia Chemical je divizí společnosti Nichia Corporation , kde byly poprvé vyvinuty bílé a modré LED. V současné době drží vedoucí postavení ve výrobě ultrajasných LED diod: bílé, modré a zelené. Kromě výše uvedených průmyslových gigantů je třeba poznamenat také následující společnosti: " Cree ", "Emcore Corp.", "Veeco Instruments", "Seoul Semiconductor" a "Germany's Aixtron", které se zabývají výrobou čipů a jednotlivé samostatné LED diody.
Jasné LED na substrátech z karbidu křemíku vyrábí americká společnost Cree .
Největšími [33] výrobci LED v Rusku a východní Evropě jsou Optogan a Svetlana-Optoelectronics . "Optogan" byl vytvořen s podporou státní korporace " Rosnano ". Výroba společnosti se nachází v Petrohradě . Optogan se zabývá výrobou jak LED, tak čipů a LED matric a podílí se také na zavádění LED pro všeobecné osvětlení.
Svetlana-Optoelectronics (St. Petersburg) sdružuje podniky, které provádějí celý technologický cyklus vývoje a výroby LED osvětlovacích systémů: od epitaxního růstu polovodičových destiček s heterostrukturami až po komplexní automatizované inteligentní systémy řízení osvětlení.
Také závod Samsung Electronics v regionu Kaluga lze nazvat velkým podnikem na výrobu LED diod a zařízení na nich založených .
V roce 2021 byl na území inovačního klastru Technopolis GS otevřen výrobní závod na balení GS LED . Jedná se o nejmodernější podobnou výrobu v Rusku. [34]
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Polovodičové diody | ||
---|---|---|
Po domluvě | ||
LED diody | ||
Oprava | ||
Generátorové diody | ||
Zdroje referenčního napětí | ||
jiný | ||
viz také |
|
Koncepty | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Způsob výskytu |
| ||||||||||||||
Jiné zdroje světla | |||||||||||||||
Druhy osvětlení | |||||||||||||||
Osvětlovací tělesa |
| ||||||||||||||
Související články |