Ljusdiod | |
---|---|
Sorts | Aktivt elektroniskt element |
Funktionsprincip | elektroluminescens |
uppfunnit |
Henry Round (1907) Oleg Losev (1927) Nick Holonyak (1962) |
Först skapad | 1962 |
Symbolbeteckning | |
Pin-konfiguration | anod och katod |
Light -emitting diode eller light-emitting diode (LED, LED; engelsk light-emitting diode, LED ) är en halvledarenhet med en elektronhålsövergång som skapar optisk strålning när en elektrisk ström passerar genom den i framåtriktningen.
Ljuset som sänds ut av lysdioden ligger i ett smalt område av spektrumet , det vill säga, lysdioden avger initialt nästan monokromatiskt ljus (om vi pratar om lysdioder i det synliga området) - i motsats till lampan , som avger ett bredare spektrum, från vilken en viss färg på glöden endast kan erhållas genom att använda ett ljusfilter . Spektralområdet för en LED-strålning beror huvudsakligen på typen och den kemiska sammansättningen av de använda halvledarna och bandgapet .
När en elektrisk ström passerar genom en pn-övergång i framåtriktningen, rör sig laddningsbärare - elektroner och hål - mot varandra och rekombinerar i det utarmade skiktet av dioden med emission av fotoner på grund av övergången av elektroner från en energinivå till en annan [1] ..
Alla halvledarmaterial avger inte effektivt ljus när de kombineras igen . Effektiva sändare hänvisar till halvledare med direktgap , det vill säga de där direkta optiska mellanbandsövergångar är tillåtna, typ A III B V (till exempel GaAs eller InP ) och typ A II B VI (till exempel ZnSe eller CdTe ). Genom att variera sammansättningen av halvledare är det möjligt att skapa lysdioder för alla möjliga våglängder från ultraviolett ( GaN ) till mellaninfrarött ( PbS ).
Dioder gjorda av halvledare med indirekt gap (som kisel , germanium eller kiselkarbid ) avger lite eller inget ljus. I samband med utvecklingen av kiselteknik pågår ett arbete med att skapa kiselbaserade lysdioder. Den sovjetiska gula LED KL101 baserad på kiselkarbid tillverkades redan på 70-talet, men hade en mycket låg ljusstyrka. Nyligen har stora förhoppningar förknippats med tekniken för kvantprickar och fotoniska kristaller .
Den första kända rapporten om emission av ljus från en halvledardiod gjordes 1907 av den brittiske experimentatorn Henry Round från Marconi Labs . Round var den första som upptäckte och beskrev elektroluminescens , vilket han upptäckte när han studerade strömpassagen i ett metall- kiselkarbidpar (karborundum, kemisk formel SiC), och noterade utseendet av ett gult, grönt och orange sken vid katoden av enheten.
Dessa experiment upprepades senare, oberoende av Round, 1923 av O. V. Losev , som, medan han experimenterade i radiolaboratoriet i Nizhny Novgorod med kristalldetektorer för radiovågor, såg ett sken vid kontaktpunkten mellan två olika material, det starkaste - i en par karborundum - en stålnål, sådan. Således upptäckte han elektroluminescensen hos en halvledarövergång (vid den tiden fanns inte begreppet " halvledarövergång " ännu) [2] .
Observationen av effekten av elektroluminescens vid kontaktpunkten mellan karborundum och stål publicerades av honom i den sovjetiska tidskriften Telegraphy and Telephony without Wires, och 1927 fick han ett patent (i patentet kallas enheten ett "ljusrelä" ). Losev dog i det belägrade Leningrad 1942, och hans arbete glömdes bort, publikationen märktes inte av det vetenskapliga samfundet, och många år senare uppfanns lysdioden utomlands. [3] .
Losev visade att elektroluminescens inträffar nära korsningen av material [4] . Även om det inte fanns någon teoretisk förklaring till det observerade fenomenet, insåg Losev den praktiska betydelsen av hans upptäckt. Tack vare effekten av elektroluminescens blev det möjligt att skapa en liten ljuskälla med en mycket låg matningsspänning för den tiden (mindre än 10 V) och hög hastighet. Han kallade den framtida enheten "Light Relay " och fick två copyrightcertifikat, han ansökte om det första av dem i februari 1927. [2]
1961 James Robert Bayardoch Gary Pittman från Texas Instruments , oberoende av Losev, upptäckte tekniken för att tillverka en infraröd LED baserad på galliumarsenid (GaAs). Efter att ha fått patent 1962 började deras industriella produktion.
Världens första praktiska lysdiod som fungerar i det ljusa (röda) området utvecklades av Nick Holonyak vid University of Illinois för General Electric Company 1962. Holonyak anses alltså vara "den moderna LED:s fader". Hans tidigare elev, George Craford, uppfann världens första gula lysdiod och ökade ljusstyrkan hos röda och röd-orange lysdioder med 10 gånger 1972. År 1976 skapade T. Pearsol världens första högeffektiva LED med hög ljusstyrka för telekommunikationsapplikationer, speciellt anpassad för dataöverföring över fiberoptiska kommunikationslinjer .
Lysdioder förblev mycket dyra fram till 1968 (cirka $200 styck), så deras praktiska tillämpning var begränsad.Jacques Pankovs forskning vid RCA - laboratoriet ledde till industriell produktion av lysdioder, 1971 fick han och hans kollegor ett blått sken från galliumnitrid och skapade den första blå lysdioden [5] [6] [ 7] [8] . Monsanto var det första företaget som massproducerade lysdioder som arbetar i området för synligt ljus och kan användas i indikatorer . Hewlett -Packard använde LED-indikatorer i sina tidiga miniräknare.
I mitten av 1970-talet, vid FTI im. A. F. Ioffe- gruppen ledd av Zhores Alferov erhöll nya material - halvledarheterostrukturer, som för närvarande används för att skapa laserdioder [9] [10] . Därefter började serietillverkningen av lysdioder baserade på heterostrukturer. Upptäckten belönades med Nobelpriset 2000 [11] . 1983 var Citizen Electronics banbrytande för utvecklingen och produktionen av SMD-lysdioder och kallade dem CITILED [12] .
I början av 1990-talet uppfann Isama Akasaki, som arbetade med Hiroshi Amano vid Nagoya University, och Shuji Nakamura , då forskare vid det japanska företaget Nichia Chemical Industries , den blå LED- tekniken . 2014 tilldelades de tre Nobelpriset i fysik för upptäckten av tekniken för att tillverka en billig blå LED [13] [14] . 1993 började Nichia sin kommersiella produktion.
Senare, baserade på blå lysdioder, tillverkades vita , bestående av en blåemitterande kristall belagd med en fosfor baserad på yttrium-aluminiumgranat dopad med trivalent cerium (YAG). Fosforen absorberar en del av den blå strålningen och sänder ut igen i det gulgröna området, vilket gör att du kan skapa vitt ljus . Nichia började kommersiell produktion av vita lysdioder 1996 [15] . Snart började vita lysdioder användas i stor utsträckning i belysning. Baserat på vita lysdioder, har LED- fickor , lampor , lampor för olika ändamål (inklusive gatlyktor ), spotlights , LED-remsor och andra ljuskällor utvecklats. År 2003 var Citizen Electronics först i världen med att producera en patenterad LED-modul genom att direktmontera ett Nichia-chip på ett aluminiumsubstrat med hjälp av Chip-On-Board dielektriskt lim . Vita lysdioder gjorde det möjligt att skapa effektiv bakgrundsbelysning för LCD -färgskärmar , vilket bidrog till deras utbredda användning i mobila enheter, surfplattor och smartphones.
Kombinationen av blått, grönt och rött LED-ljus resulterar i ett vitt ljus med hög energieffektivitet, vilket ledde till utvecklingen av bland annat LED-armaturer och LED-bakgrundsbelysta skärmar.
LED i plasthölje
Infraröd LED som används i fjärrkontroller
LED-lampa (panel) för scenisk riktad belysning
Modern fosfor LED i en handhållen elektrisk ficklampa
LED-lampa för standardsockel E27
Kraftfull 20W vit LED kontra 5 mm röd indikatorlampa
White COB - LED med en effekt på 100 W, matningsspänning på 36 V. Till skillnad från konventionella lysdioder består den av många blå lysdioder kombinerade i en kristall och med en gemensam fosforbeläggning [16]
Schematiska skillnader mellan SMD- och CSP-lysdioder [17]
Moderna högeffekts superljusa lysdioder på en kylflänsplatta med kontakter för elinstallation
Ström-spänningskarakteristiken för lysdioder i framåtriktningen är icke-linjär. Dioden börjar leda ström från en viss tröskelspänning. Värdet på denna spänning låter dig exakt bestämma halvledarens material.
Lysdioden fungerar genom att leda ström genom den i framåtriktningen (det vill säga anoden måste ha en positiv potential i förhållande till katoden ).
På grund av den kraftigt ökande ström-spänningskarakteristiken för pn-övergången i framåtriktningen måste lysdioden anslutas till en strömkälla . Anslutning till en spänningskälla måste göras genom ett element (eller elektrisk krets ) som begränsar strömmen, till exempel genom ett motstånd . Vissa modeller av lysdioder kan ha en inbyggd krets som begränsar strömförbrukningen, i vilket fall specifikationen för dem indikerar området för tillåtna spänningar för strömkällan.
Att ansluta en lysdiod direkt till en spänningskälla med låg intern resistans som överstiger tillverkarens deklarerade spänningsfall för en viss typ av lysdiod kan orsaka att ström flyter genom den utöver den maximalt tillåtna strömmen, vilket gör att kristallen överhettas och orsakar omedelbart fel. I det enklaste fallet, för lågeffektindikatorer, är strömbegränsningskretsen ett motstånd i serie med lysdioden. För högeffektslysdioder används PWM - kretsar , som bibehåller den genomsnittliga strömmen genom lysdioden på en given nivå och, om nödvändigt, låter dig justera dess ljusstyrka.
Det är oacceptabelt att anbringa spänning med omvänd polaritet till lysdioderna från en källa med lågt internt motstånd . Lysdioder har en låg (flera volt) omvänd genombrottsspänning. I kretsar där omvänd spänning är möjlig måste lysdioden skyddas av en konventionell diod kopplad parallellt med motsatt polaritet.
Konventionella lysdioder är gjorda av en mängd olika oorganiska halvledarmaterial, följande tabell listar tillgängliga färger med våglängdsområde, diodspänningsfall vid märkström och halvledarmaterial:
Färg | Våglängd (nm) | Framspänning (V) |
halvledarmaterial _ | |
---|---|---|---|---|
Infraröd | λ > 760 | ΔU < 1,9 | Galliumarsenid (GaAs) (940 nm) Galliumarsenidfosfid (GaAsP) (940 nm) Galliumaluminiumarsenid (AlGaAs) (880 nm) | |
Röd | 610 < λ < 760 | 1,63 < AU < 2,03 | Gallium(III)fosfid (GaP) (700 nm) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) (660 nm) Aluminiumgalliumindiumfosfid (AlGaInP) (625-630 nm) Galliumarsenidfosfid (GaASP) Blue LED , (625) fosfor (PC röd LED) | |
Orange ( bärnsten ) |
590 < λ < 610 | 2,03 < AU < 2,10 | Aluminiumgalliumindiumfosfid (AlGaInP) (601-609 nm) Galliumarsenidfosfid (GaAsP) (607 nm) Fosforbelagd blå LED (PC bärnstensfärgad LED) | |
Gul | 570 < λ < 590 | 2,10 < AU < 2,18 | Galliumarsenidfosfid (GaAsP) (590 nm) Aluminiumgalliumindiumfosfid (AlGaInP) (590 nm) | |
Grön | 500 < λ < 570 | 1,9 [18] < AU < 4,0 | Gallium(III) Fosfid (GaP) (568 nm) Aluminium Gallium Indium Fosfid (AlGaInP) (570 nm) Aluminium Gallium Fosfid (AlGaP) (570 nm) Indium Gallium Nitride (InGaN) (525 nm) Bluephosphor ( belagd med Lime LED) | |
Blågrön [19] | 500 < λ < 510 | 2,48 < AU < 3,7 | Indiumgalliumnitrid (InGaN) (505 nm) | |
Blå | 450 < λ < 500 | 2,48 < AU < 3,7 | Indiumgalliumnitrid (InGaN) (450-470 nm) Zinkselenid (ZnSe) Kiselkarbid (SiC) substrat Kisel (Si) substrat - (under utveckling) | |
Violett | 400 < λ < 450 | 2,76 < AU < 4,0 | Indiumgalliumnitrid (InGaN) (405-440 nm) | |
Lila | En blandning av flera spektralband | 2,48 < AU < 3,7 | Blå LED med röd fosfor Dubbel: blå och röda dioder i ett paket Vit LED med magentafilter | |
UV | λ < 400 | 3,1 < AU < 4,4 | Diamant (235 nm) [20] Bornitrid (215 nm) [21] [22] | |
Vit | Brett spektralområde | ∆ U ≈ 3,5 | Blå (vanligare), violett eller ultraviolett fosforbelagd lysdiod Kombination av tre primärfärgslysdioder (röd, blå, grön) |
Trots det faktum att vita lysdioder produceras i stor utsträckning i världen i kombination med en blå/violett lysdiod med en gul eller orange lysande fosfor applicerad på den , är det möjligt att använda fosfor med en annan glödfärg. Som ett resultat av applicering av en röd fosfor erhålls lila eller rosa lysdioder, mer sällan produceras grönfärgade lysdioder, där en fosfor med en grön luminescensfärg appliceras på en lysdiod med blå strålning.
Lysdioder kan också ha ett färgat filterhus.
År 2001 var Citizen Electronics först i världen med att tillverka en färgpastellfärgad SMD LED kallad PASTELITE [25] .
Jämfört med andra elektriska ljuskällor har LED följande skillnader:
Den utbredda introduktionen av lysdioder av olika design för att spara elektricitet i belysning avslöjade att vissa av dem har ett spektrum som skiljer sig markant från spektrumet av naturligt ljus. Detta kan påverka människors hälsa negativt. Forskningen som genomfördes möjliggjorde utvecklingen av nya, mer hygieniskt perfekta lysdioder [28] . Men produkter av lägre kvalitet, men mer ekonomiska, används också i stor utsträckning.
rumsbelysning
Vid trafikljus
I bilstrålkastare
dekorativ applikation
LED spotlight
Belysning med en rad lysdioder i iPod Touch 2G
OLEDs bildas vanligtvis som flerskiktiga tunnfilmsstrukturer gjorda av organiska föreningar som effektivt avger ljus när en elektrisk ström passerar genom dem.
OLED finner sin huvudsakliga tillämpning i skapandet av matrisinformationsdisplayenheter (skärmar). Det antas att produktionen av sådana OLED-skärmar kommer att vara mycket billigare än flytande kristallskärmar .
Det största problemet för OLED är den kontinuerliga drifttiden, som bör vara minst 15 tusen timmar. Ett problem som för närvarande förhindrar utbredd användning av denna teknik är att röd OLED och grön OLED kan fungera kontinuerligt utan att dämpas i tiotusentals timmar längre än blå OLED [30] . Minskningen av ljusstyrkan för blå OLED:er över tid förvränger färgåtergivningen visuellt, och varaktigheten för högkvalitativ färgåtergivning visade sig vara oacceptabelt kort för en kommersiellt erbjuden enhet. Även om den blå OLED-enheten idag uppnådde en livslängd på 17,5 tusen timmar (2 år) kontinuerlig drift [31] .
OLED- skärmar används i de senaste modellerna av mobiltelefoner , GPS - navigatorer, OLED-TV-apparater och mörkerseendeenheter .
LED-moduler med individuell styrning, så kallad Smart LED. De innehåller flera typer av lysdioder och en integrerad digital styrkrets i ett paket.
WS2812 LED-modulen har tre lysdioder (röd, blå och grön). Styrkretsen styr ljusstyrkan för varje lysdiod, vilket gör att du kan få nästan vilken färg som helst. I vissa LED-moduler, till exempel SK6812W, finns förutom trion RGB-LED:er en vit LED (fosforbeläggning). Modulen styrs vanligtvis via en seriell buss från en enda tråd. För att koda en logisk nolla och etta används signaler med en strikt specificerad varaktighet. Varje LED-modul har in- och utdatalinjer. I slutet av programmeringen av en modul stängs dess styrkrets av och skickar vidare styrsignaler direkt från ingången till utgången genom sig själv, vilket gör att nästa datapaket kan programmera ljusstyrkan för nästa modul i kedjan av moduler, och så vidare, tills alla LED-moduler i kedjan är programmerade .
När det gäller intäkter är ledaren japanska " Nichia Corporation " [32] .
En stor LED-tillverkare är också Royal Philips Electronics , som har som policy att förvärva LED-företag. Så Hewlett-Packard sålde sin Lumileds Lighting-division till Philips 2005 , och 2006 förvärvades Color Kinetics och TIR Systems, företag med ett brett tekniskt nätverk för produktion av vita lysdioder.
Nichia Chemical är en division inom Nichia Corporation där vita och blå lysdioder först utvecklades. För närvarande har hon ledarskapet i produktionen av ultraljusa lysdioder: vit, blå och grön. Utöver ovanstående industrijättar bör även följande företag noteras: " Cree ", "Emcore Corp.", "Veeco Instruments", "Seoul Semiconductor" och "Germany's Aixtron", som är engagerade i produktion av chips och individuella diskreta lysdioder.
Ljusa lysdioder på kiselkarbidsubstrat tillverkas av det amerikanska företaget Cree .
De största [33] LED-tillverkarna i Ryssland och Östeuropa är Optogan och Svetlana-Optoelectronics . "Optogan" skapades med stöd av State Corporation " Rosnano ". Företagets produktion är belägen i St. Petersburg . Optogan ägnar sig åt produktion av både LED och chips och LED-matriser och är även involverad i introduktionen av LED för allmänbelysning.
Svetlana-Optoelectronics (St. Petersburg) förenar företag som genomför en fullständig teknisk cykel för utveckling och produktion av LED-belysningssystem: från epitaxiell tillväxt av halvledarskivor med heterostrukturer till komplexa automatiserade intelligenta ljusstyrningssystem.
Dessutom kan Samsung Electronics- fabriken i Kaluga-regionen kallas ett stort företag för produktion av lysdioder och enheter baserade på dem .
År 2021 öppnades en produktionsanläggning för förpackning av GS LEDs på området för Technopolis GS innovationskluster. Detta är den mest högteknologiska liknande produktionen i Ryssland. [34]
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Halvledardioder | ||
---|---|---|
Enligt överenskommelse | ||
lysdioder | ||
Rättande | ||
Generatordioder | ||
Referensspänningskällor | ||
Övrig | ||
se även |
|
Begrepp | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Sätt att inträffa |
| ||||||||||||||
Andra ljuskällor | |||||||||||||||
Typer av belysning |
| ||||||||||||||
Belysningsarmaturer _ |
| ||||||||||||||
relaterade artiklar |