Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Устройство светодиода

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: анодом и катодом . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

• катод;

• короче.

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан p-n переход .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

• желтый:

• зеленый;

• красный;

• синий;

• голубой;

• белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

• задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

• вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

• создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат цветовые елочные гирлянды . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

• неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

• неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

• в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

• сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

• люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

2. использованием широтной импульсной модуляции — ШИМ .

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.