Большой FAQ по светодиодам - Вопросы и Ответы

1. Что этакое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый устройство, преобразующий электрический ток непринужденно в световое излучение.

Кстати, по-английски светодиод величается light emitting diode, либо LED.

2. Из что состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными решениями и оптической порядка. Современные светодиоды мало схожи на основные корпусные светодиоды, приспосабливавшиеся для индикации. Установка мощного светодиода серии Luxeon, издаваемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

3. Как функционирует светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Следственно, сначала нужен p-n-переход, другими словами контакт 2-ух полупроводников с различными разновидностями проводимости. Для этого приконтактные сферы полупроводникового кристалла легируют различными примесями: по одну сторонку акцепторными, по вторую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Отчего? Во-главных, ширина запрещенной зоны в функциональной области светодиода должна иметься близка к энергии квантов света видимого спектра. Во-вторых, возможность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна иметься высочайшей, для что полупроводниковый кристалл обязан хранить мало недостатков, из-за тот или другой рекомбинация происходит без излучения. Эти обстоятельства в той либо другой ступени противоречат друг дружке.

Реально, чтоб соблюсти два обстоятельства, один-одинехонек р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать мультислойные полупроводниковые структуры, так-называемые гетероструктуры, за исследование тот или другой русский физик академик Жорес Алферов приобрел Нобелевскую премию 2000 года.

4. Значит ли это, что чем больший ток проходит спустя светодиод, тем он дает более яркий свет?

Очевидно, да. Ведь чем главным образом ток, тем главным образом электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу периода. Но ток нельзя наращивать до бесконечности. Из-за внутреннего противодействия полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от простые лампочки либо люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непринужденно в световое излучение, и на теоретическом уровне это можнож сделать практически без утрат. Вправду, светодиод (при соответствующем теплоотводе) мало греется, что сооружает его неподменным для неких прибавлений. Ниже, светодиод излучает в односторонней части диапазона, его цвет девственен, что в особенности оценивают дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, обычно, отсутствуют. Светодиод механически прочить на место и необыкновенно надежен, его срок работы может достигать сто тыщ часов, что практически в сто разов главным образом, чем у лампочки накаливания и в 5 — 10 разов главным образом, чем у люминесцентной лампы. В конце концов, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало иметься, безопасный.

6. Чем нехорош светодиод?

Только лишь один-одинешенек — ценой. Пока что стоимость один-одинехонек люмена, излученного светодиодом, в сто разов выше, чем галогенной лампой. Но специалисты говорят, что в наиблежайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 разов.

7. Иногда светодиоды начали приноравливаться для освещения?

Сначало светодиоды приноравливались необыкновенно для индикации. Чтоб сделать их подходящими для освещения, нужно имелось сначала выучиться изготавливать белоснежные светодиоды, а также прирастить их яркость, а точнее светоотдачу, другими словами отношение светового потока к употребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах водились сделаны светодиоды на базе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленоватой, желтоватой и красноватой областях диапазона. Их использовали в световых индикаторах, табло, приборных панелях каров и самолетов, маркетинговых экранах, разных налаженности визуализации инфы. По светоотдаче светодиоды опередили обыденные простые лампочки. По долговечности, надежности, сохранности они тоже их затмили. Одно имелось неудовлетворительно — не было светодиодов голубого, сине-зеленоватого и белоснежного цвета.

К точке 80-х годов в СССР выпускалось наиболее сто млн светодиодов в год, а мировое создание сочиняло немножко 10-ов млрд.

8. От что зависит цвет светодиода?

Необыкновенно от ширины запрещенной зоны, в тот или другой рекомбинируют электроны и дырки, другими словами от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а следственно, тем главным образом должна иметься ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности довелось преодолеть ученым, чтоб сделать голубой светодиод?

Голубые светодиоды можнож сделать на базе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений компонентов II и IV группы либо нитридов компонентов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на базе SiC оказался очень мал кпд и густ квантовый выход излучения (другими словами число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на базе жестких растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большущего противодействия и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при всем этом равновесное давление паров азота сочиняет 40 атмосфер; светло, что выращивать экие кристаллы непросто. Подобные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, тот или иной можнож подобрать так, чтоб генерировать свет подходящей длины волны, в том числе и голубий. Но... делему не удавалось решить до баста 80-х годов.

Основным, еще в 70-х, голубой светодиод на базе мембран нитрида галлия на сапфировой подложке удалось приобрести доктору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из конторы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических использований, все же управление например: «Ну, это ж на сапфире — недешево и не так ясно, к тому же p-n-переход нехорош...) — и службы Панкова не поддержали.

Меж тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ нашла, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка останавливается ярким люминофором, и даже запатентовала агрегат оптической памяти. Но тогда неясное явление разъяснить не удалось.

Это сделали жители страны восходящего солнца — доктор И. Акасаки и доктор X. Амано из института Нагоя. Обработав мембрану GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они заработали ясно люминесцирую-щий оболочка р-разновидности с высочайшей концентрацией дырок. Все же создатели светодиодов не направили подабающего интереса на их публикации.

Только в 1989 году доктор Ш. Накамура из конторы Nichia Chemical, исследуя мембраны нитридов компонентов III группы, смог пользоваться плодами доктора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что сумел приобрести эффективно инжектирующие сферы р-разновидности в GaN-гетероструктурах. Ах так был приобретен голубой светодиод.

Компания Nichia запатентовала главные этапы технологии и к точке 1997 года издавала теснее 10 — 20 млн голубых и зеленоватых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белоснежных светодиодов.

10. Что этакое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Распознают внутренний и наружный квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, наружный — для устройства в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом добивается практически сто%, рекорд внешнего квантового выхода для бардовых светодиодов сочиняет 55%, а ддя голубых — 35%.

Наружный квантовый выход — одна из основных черт эффективности светодиода.

11. Как приобрести белоснежный свет с внедрением светодиодов?

Живет три метода получения белоснежного света от светодиодов. Главный — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице непроницаемо располагаются красноватые, голубые и зеленоватые светодиоды, излучение тот или другой смешивается с помощью оптической порядка, к примеру линзы. В итоге достается белоснежный свет. 2-ой метод содержится в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом спектре (грызть и экие), наносится три люминофора, излучающих, сообразно, голубой, зеленоватый и красноватый свет. Это схоже на то, как освещает люминесцентная лампа. И в конце концов в 3-ем методе желто-зеленоватый либо зеленоватый плюс красноватый люминофор наносятся на голубой свето-диод, так что два либо три излучения смешиваются, образуя белоснежный либо недалёкий к белоснежному свет.

12. Какой из 3-х методов лучше?

У каждого метода грызть близкие плюсы и недостачи. Разработка RGB в принципе дозволяет не только лишь приобрести белоснежный цвет, да и передвигаться по цветовой диаграмме при изменении тока спустя различные светодиоды. Сиим действием можнож править вручную либо средством программы, можнож также приобретать различные цветовые температуры. Оттого RGB-матрицы обширно употребляются в светодинамических налаженности. Не считая того, большое число светодиодов в матрице обеспечивает высочайший суммарный световой поток и огромную осевую массу света. Но световое пятнышко из-за аберраций оптической порядка обладает неодинаковый цвет в центре и по бокам, а основное, из-за неравномерного отвода тепла с закраин матрицы и из ее центра светодиоды греются по-различному, и, сообразно, по-различному модифицируется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за пора эксплуатации. Это противное явление хватить трудно и недешево скомпенсировать.

Белоснежные светодиоды с люминофорами значительно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют приобрести хороший белоснежный цвет. И для их в принципе не вопрос попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостачи же таковы: во-главных, у их меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преображенья света в покрове люминофора; во-вторых, хватить тяжело метко проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и в конце концов в-третьих — люминофор тоже ветшает, при этом скорее, чем сам светодиод.

Индустрия издаёт как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у их различные области внедрения.

13. Каковы электрические и оптические свойства светодиодов?

Светодиод — низковольтный устройство. Обыденный светодиод, используемый для индикации, употребляет от 2 до 4 В неизменного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, тот или иной используется для освещения, употребляет этакое же напряжение, но ток выше — от пары сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут иметься включены поочередно и суммарное напряжение оказывается наиболее высочайшим (традиционно 12 либо 24 В).

При подключении светодиода нужно соблюдать полярность, по другому устройство может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и традиционно сочиняет наиболее 5 В для один-одинехонек светодиода.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой насильственно света, а также диаграммой направленности. Живущие светодиоды различных агрегатов источают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как традиционно, обусловливается координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сопоставления эффективности светодиодов меж собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один-одинешенек ватт электрической мощности. Также увлекательной рекламной чертой оказывается стоимость один-одинехонек люмена.

14. Как реагирует светодиод на увеличение температуры?

Разговаривая о температуре светодиода, нужно распознавать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От основной зависит срок работы, от 2-ой — световой выход. В целом с ростом температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, так как миниатюризируется внутренний квантовый выход из-за воздействия потрясений кристаллической сетки. Оттого так главен хороший теплоотвод.

Падение яркости с ростом температуры не идиентично у светодиодов различных цветов. Оно главным образом у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, другими словами у бардовых и желтоватых, и меньше у InGaN, другими словами у зеленоватых, голубых и белоснежных.

15. Отчего необходимо стабилизировать ток спустя светодиод?

Как видно из рисунка, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначимые конфигурации напряжения приводят к большим изменениям тока. Так как световой выход открыто пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Оттого ток нужно стабилизировать. Не считая того, ежели ток превзойдет возможный рубеж, то перегрев светодиода может привести к его инициированному старению.

обычная вольт-амперная черта светодиода

16. Для что светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в английской терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он выравнивает ток, протекающий спустя светодиод.

17. Можнож ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов чрезвычайно хорошо поддается регулированию, но не за счет понижения напряжения кормления — этого-то как разов сооружать нельзя, — а так именуемым способом широтно-импульсной модуляции (ШИМтр), для что нужен особый правящий агрегат (реально он быть может совмещен с агрегатом кормления и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Способ ШИМтр содержится в том, что на светодиод подается не неизменный, а импульсно-модулированный ток, при этом частота сигнала должна сочинять сотки либо тыщи герц, а ширина импульсов и пауз меж ими может переменяться. Средняя яркость светодиода останавливается управляемой, в то же пора светодиод не меркнет.

Незначительное изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с подобным смещением для лампочек.

18. Чем обусловливается срок работы светодиода?

Рассчитывается, что светодиоды необыкновенно долговечны. Но это не совершенно так. Чем больший ток пропускается спустя светодиод в процессе его работы, тем выше его температура и тем скорее приходит старение. Оттого срок работы у мощных светодиодов кратче, чем у маломощных сигнальных, и сочиняет в нынешнее время 20 — 50 тыщ часов. Старение выражается в главную очередь в убавлении яркости. Иногда яркость понижается на 30% либо наполовину, светодиод надо поменять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с процессом периода?

Старение светодиода соединено не только лишь со понижением его яркости, да и с конфигурацией цвета. В нынешнее время нет стандартов, тот или иной дозволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сопоставить с другими источниками.

20. Не вредоносен ли светодиод для людского глаза?

Диапазон излучения светодиода недалёк к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от диапазона солнца либо простые лампочки. Хорошо это либо неудовлетворительно — доподлинно не не секрет, так как, как я знаю, суровых исследований в данной нам области нигде не проводилось. Какие-или сведения о вредном действии светодиодов на человечий глаз отсутствуют.

Грызть надежда, что скоро воздействие светодиодов на зрение будет изучено конкретно. Темой заинтересовался академик Миша Аркадьевич Островский — большой спец в области цветного зрения. Предмет, за заключение тот или другой он взялся, величается так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения налаженностью зрения человека».

21. Иногда и как сверхъяркие светодиоды возникли в Рф?

О этом лучше целых скажет доктор Юнович.

— Люминесценцию карбида кремния в первый раз следил Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 грам. и представил, что она возникает поблизости p-n-перехода. 1-ая научная статья о кристаллах нитрида галлия имелась размещена доктором МГУ Грам.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на базе арсенида галлия в первый раз изучили в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и представили, что можнож сделать структуры с внутренним квантовым выходом недалёким к сто%. Разработки структур и светодиодов на базе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к творенью действенных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочитал основные статьи Накамуры и сообразил, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я приобрел грант соросовского фонда. В декабре на эти средства я сумел поехать на конференцию в США, и там доктор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: дескать, хочу приобщить студентов Столичного института к передовым достижениям в области голубых светодиодов и поведать им о настолько восхитительном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я приобрел от д-ра Ш. Накамуры из Стране восходящего солнца бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленоватого. Все позже оказалось нетрудно — компания Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и имелась заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их конкретно изучили, сшибли все свойства и заработали новейшие научные результаты. Д-р Ш. Накамура отдал ласковое согласие на общую публикацию наших главных статей.

Сразу специалисты из группы Бориса Фера-понтовича Тринчука в Зеленограде показали эталоны зеленоватых светодиодов начальникам из ГАИ и заработали положительный отклик. Все процесс в том, что эта группа сделала опытнейший эталон светодиодного светофора, но у их не имелось хороших зеленоватых светодиодов. Светофоры с новенькими сверхъяркими зеленоватыми светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и столичное правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Этакое везение!

Как разов тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Столичной консерватории, воспитанница моей супруги, тот или иной функционировала в Стране восходящего солнца основным концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что участок ее службы находится недалеко от конторы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук отдал ей тыщу баксов и попросил купить на их и прислать на мой адресок 200 зеленоватых светодиодов. Из их водились сделаны основные светофоры из той юбилейной тыщи. Москва стала основным в мире городом с массовым использованием светодиодных светофоров

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пробовали повторить достижение японцев и сделать структуры на базе нитридов для голубых и зеленоватых светодиодов на старенькой эпитаксиальной агрегату, тот или другой довелось модернизировать, чтоб достичь наиболее больших температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия средств и энтузиазма управления.

22. Какие на теперешний задевай живут технологии производства светодиодов и светодиодных модулей?

Что дотрагивается выкармливания кристаллов, то генеральная разработка — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса нужны особо аккуратные газы. В идущих в ногу со временем конструкциях предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых покровов измеряются и контролируются в рубежах от 10-ов ангстрем до пары микрон. Различные сферы нужно легировать примесями, донорами либо акцепторами, чтоб сделать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

За один-одинешенек процесс, тот или иной продолжается немножко часов, можнож вырастить структуры на 6 — 12 подложках поперечником 50 — 75 мм. Чрезвычайно главно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость агрегатов для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (конторы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), добивается 1,5 — 2 млн баксов. Опыт различных компаний представил, что выучиться приобретать на экий агрегату конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можнож за пора от один-одинехонек года до 3-х лет. Это — разработка, вызывающая высочайшей культуры.

Важным шагом технологии приходит планарная обработка мембран: их травление, творение контактов к п- и р-покровам, покрытие металлическими мембранами для контактных заключений. Мембрану, выращенную на одной подложке, можнож разрезать на немножко тыщ чипов масштабами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.

Последующим шагом приходит творение светодиодов из этих чипов. Нужно собрать кристалл в корпусе, сделать контактные заключения, сделать оптические покрытия, просветляющие поверхность для заключения излучения либо отражающие его. Ежели это белоснежный светодиод, то необходимо мерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластмассовый купол, фокусирующий излучение в подходящий телесный угол. Около половины стоимости светоди-хвала обусловливается этими шагами высочайшей технологии.

Необходимость роста мощности для увеличения светового потока привела к тому, что обычная форма корпусного светодиода не стала удовлетворять производителей из-за недостающего теплоотвода. Было надо очень приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В взаимоотношения с сиим на замену традиционной технологии и немножко наиболее произведенной SMD-техноло-гии (surface montage details — поверхностный установка элементов) прибывает более ведущая технология СОВ (chip on board). Светодиод, сделанный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды сделанные по SMD- и СОВ-технологии, устанавливаются (приклеиваются) непринужденно на корпоративную подложку, тот или иной может выполнять роль радиатора — в данном варианте она делается из сплава. Так создаются светодиодные модули, тот или иной могут располагать линейную, прямоугольную либо законченную форму, иметься железными либо эластичными, кратче, призваны удовлетворить всякую прихоть дизайнера. Возникают и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на смену. А для мощных светильников и прожекторов делаются светодиодные конструкции на совершенном мощном радиаторе.

Ранее в светодиодных сборках имелось чрезвычайно самое большее светодиодов. На данный момент, по мере увеличения мощности, светодиодов останавливается меньше, зато оптическая порядок, устремляющая световой поток в подходящий телесный угол, играет все огромную роль.

разработка СОВ

23. Где настоящее целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды обретают употребление фактически во целых областях светотехники, кроме освещения производственных площадей, ну и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются неподменны в дизайнерском освещении благодаря их аккуратному цвету, а также в светодинамических налаженности. Выгодно же их применять там, где недешево обходится нередкое сервис, где нужно агрессивно экономить электроэнергию и где высоки заявки по электробезопасности.

В Москве в начале 2004 года имелась принята 3-х летняя программа энергосберегающего освещения на основе светодиодных технологий. Координационный совет возглавил доктор Ю.Б. Айзенберг. Сообразно данной нам програмке предлагается применять светодиоды в опытнейшем стройке, ЖКХ и иных областях. К примеру, светодиодные электросветильники будут водворяться в подземных переходах, подъездах, на лифтовых площадках, другими словами там, где не нужна большая освещенность, но требуется минимум профилактики и энергозатрат, а также важна высочайшая вандалоустойчивость.