Fénykibocsátó dióda | |
---|---|
Típusú | Aktív elektronikus elem |
Működés elve | elektrolumineszcencia |
feltalált |
Henry Round 1907) Oleg Losev (1927) Nick Holonyak (1962) |
Először létre | 1962 |
Szimbólum megjelölés | |
Pin konfiguráció | anód és katód |
A Light -emitting diode vagy light-emitting diode (LED, LED; angol light-emitting diode, LED ) egy elektron-lyuk átmenettel rendelkező félvezető eszköz , amely optikai sugárzást hoz létre, amikor elektromos áram halad át rajta előrefelé.
A LED által kibocsátott fény a spektrum egy szűk tartományába esik , vagyis a LED kezdetben szinte monokromatikus fényt bocsát ki (ha a látható tartományban lévő LED-ekről beszélünk) - ellentétben a lámpával , amely szélesebb spektrumot bocsát ki, ahonnan csak egy fényszűrő használatával nyerhető ki a fény bizonyos színe . A LED-sugárzás spektrális tartománya elsősorban a felhasznált félvezetők típusától és kémiai összetételétől, valamint a sávszélességtől függ .
Amikor egy pn átmeneten elektromos áramot vezetünk át előrefelé, a töltéshordozók – elektronok és lyukak – egymás felé mozognak, és a dióda kimerült rétegében az elektronok egy energiaszintről való átmenete miatt fotonok kibocsátásával újra kombinálódnak. másikhoz [1] ..
Nem minden félvezető anyag bocsát ki hatékonyan fényt rekombináció esetén . A hatékony emitterek a közvetlen hézagú félvezetőkre vonatkoznak , vagyis azokra, amelyekben megengedettek a közvetlen optikai sávközi átmenetek, az A III B V típusú (például GaAs vagy InP ) és az A II B VI típusú (például ZnSe vagy CdTe ). A félvezetők összetételének változtatásával lehetőség nyílik LED-ek létrehozására az ultraibolya ( GaN ) sugárzástól a közép-infravörösig ( PbS ) minden lehetséges hullámhosszra.
Az indirekt hézagú félvezetőkből (például szilíciumból , germániumból vagy szilícium-karbidból ) készült diódák alig vagy egyáltalán nem bocsátanak ki fényt. A szilíciumtechnológia fejlesztése kapcsán folyik a munka a szilícium alapú LED-ek létrehozásán. A szilícium-karbid alapú szovjet sárga LED KL101-et még a 70-es években gyártották, de nagyon alacsony fényerővel rendelkezett. A közelmúltban nagy reményeket fűznek a kvantumpontok és a fotonikus kristályok technológiájához .
Az első ismert jelentés a szilárdtestdiódák fénykibocsátásáról 1907 -ben készült Henry Round brit kísérletező , a Marconi Labs munkatársa . Round volt az első, aki felfedezte és leírta az elektrolumineszcenciát , amelyet egy fém- szilícium-karbid párban (karborundum, kémiai képlet SiC) folyó áram áthaladásának tanulmányozása során fedezett fel, és megfigyelte a sárga, zöld és narancssárga izzás megjelenését a katódon. az eszköz.
Ezeket a kísérleteket később, Roundtól függetlenül, 1923-ban megismételte O. V. Losev , aki a Nyizsnyij Novgorodi rádiólaboratóriumban rádióhullámok kristálydetektoraival kísérletezett , és két különböző anyag érintkezési pontján izzást látott, a legerősebbet. pár karborund - acéltű, ilyen Így felfedezte egy félvezető átmenet elektrolumineszcenciáját (akkor még nem létezett a " félvezető átmenet " fogalma) [2] .
Az elektrolumineszcencia hatásának megfigyelését a karborundum és acél érintkezési pontján a Telegraphy and Telephony Without Wires című szovjet folyóiratban publikálta, majd 1927-ben szabadalmat kapott (a szabadalomban az eszközt "fényrelé"-nek nevezik). ). Losev az ostromlott Leningrádban halt meg 1942-ben, munkássága feledésbe merült, a publikációt a tudományos közösség nem vette észre, sok év múlva pedig külföldön találták fel a LED-et. [3] .
Losev kimutatta, hogy az elektrolumineszcencia az anyagok találkozási pontja közelében megy végbe [4] . Bár a megfigyelt jelenségre nem volt elméleti magyarázat, Losev nagyra értékelte felfedezésének gyakorlati jelentőségét. Az elektrolumineszcencia hatásának köszönhetően lehetővé vált egy kis méretű, az időre nagyon alacsony tápfeszültségű (10 V alatti) és nagy sebességű fényforrás létrehozása. A leendő készüléket "Light Relay "-nek nevezte, és kapott két szerzői jogi tanúsítványt, ezek közül az elsőt 1927 februárjában kérte . [2]
1961- ben James Robert Bayardés Gary Pittman, a Texas Instruments -től, Losevtől függetlenül, felfedezték a gallium-arzenid (GaAs) alapú infravörös LED gyártásának technológiáját . Miután 1962-ben megkapták a szabadalmat, megkezdődött az ipari termelés.
A világ első praktikus, világos (piros) tartományban működő LED- jét Nick Holonyak fejlesztette ki az Illinoisi Egyetemen a General Electric Company számára 1962-ben. Holonyak tehát „a modern LED atyjának” tekinthető. Egykori tanítványa, George Craford, feltalálta a világ első sárga LED-jét, és 1972-ben 10-szeresére növelte a piros és vörös-narancssárga LED-ek fényerejét. 1976-ban T. Pearsol megalkotta a világ első nagy hatásfokú, nagy fényerejű LED-jét távközlési alkalmazásokhoz, amelyet kifejezetten száloptikai kommunikációs vonalakon történő adatátvitelre alakítottak ki .
A LED-ek 1968-ig nagyon drágák maradtak (kb. 200 dollár darabonként), így gyakorlati alkalmazásuk korlátozott volt.Jacques Pankov az RCA laboratóriumban végzett kutatásai a LED-ek ipari gyártásához vezettek, 1971-ben kollégáival gallium-nitridből kék fényt kapott, és megalkotta az első kék LED -et [5] [6] [ 7] [8] . A Monsanto volt az első olyan vállalat, amely tömegesen gyártott látható fénytartományban működő és indikátorokban használható LED-eket . A Hewlett -Packard LED-es indikátorokat használt korai tömeges zsebszámítógépeiben.
Az 1970-es évek közepén az FTI im. A Zhores Alferov vezette A. F. Ioffe csoport új anyagokat – félvezető heterostruktúrákat – szerzett, amelyeket jelenleg lézeres fénykibocsátó diódák létrehozására használnak [9] [10] . Ezt követően indult meg a heterostruktúrákra épülő LED-ek sorozatgyártása. A felfedezést 2000 -ben Nobel-díjjal jutalmazták [11] . 1983-ban a Citizen Electronics úttörője volt az SMD LED-ek fejlesztésének és gyártásának, és elnevezte őket CITILED-nek [12] .
Az 1990-es évek elején Isama Akasaki, aki Hiroshi Amanóval dolgozott a Nagoya Egyetemen, és Shuji Nakamura , a japán Nichia Chemical Industries akkori kutatója találta fel a kék LED technológiát . 2014-ben hárman kaptak fizikai Nobel-díjat az olcsó kék LED gyártási technológiájának felfedezéséért [13] [14] . 1993-ban a Nichia megkezdte kereskedelmi termelését.
Később kék LED-ek alapján fehéreket készítettek, amelyek ittrium-alumínium gránát alapú, háromértékű cériummal (YAG) adalékolt foszforral bevont kék sugárzású kristályból álltak . A fénypor elnyeli a kék sugárzás egy részét, és újra kibocsátja a sárga-zöld tartományban, lehetővé téve fehér fény létrehozását . A Nichia 1996-ban kezdte meg a fehér LED-ek kereskedelmi gyártását [15] . Hamarosan a fehér LED-eket széles körben kezdték használni a világításban. A fehér LED-ek alapján LED-es zseblámpákat , lámpákat , különféle célú lámpákat (beleértve az utcai lámpákat ), spotlámpákat , LED-szalagokat és egyéb fényforrásokat fejlesztettek ki. 2003-ban a Citizen Electronics a világon elsőként gyártott szabadalmaztatott LED-modult oly módon, hogy egy Nichia chipet közvetlenül alumínium hordozóra szerelt Chip-On-Board dielektromos ragasztó segítségével . A fehér LED-ek lehetővé tették a színes LCD-képernyők hatékony háttérvilágításának létrehozását , ami hozzájárult a mobileszközökben, táblagépekben és okostelefonokban való széles körű használatukhoz.
A kék, zöld és piros LED fény kombinációja nagy energiahatékonyságú fehér fényt eredményez, ami többek között LED-es lámpatestek és LED-es háttérvilágítású képernyők kifejlesztéséhez vezetett.
LED műanyag házban
Távirányítókban használt infravörös LED
LED lámpa (panel) a tájképi irányvilágításhoz
Modern foszfor LED kézi elektromos zseblámpában
LED lámpa normál E27 foglalathoz
Erőteljes 20 W -os fehér LED vs. 5 mm -es piros jelző LED
Fehér COB - LED 100 W teljesítménnyel, 36 V tápfeszültséggel . A hagyományos LED-ekkel ellentétben sok kék LED-ből áll, amelyek egy kristályban vannak kombinálva, és közös foszfor bevonattal [16]
Modern, nagy teljesítményű szuperfényes LED-ek hűtőborda lemezen érintkezőkkel az elektromos beszereléshez
A LED-ek áram-feszültség karakterisztikája előrefelé nem lineáris. A dióda egy bizonyos küszöbfeszültségről kezd áramot vezetni. Ennek a feszültségnek az értéke lehetővé teszi a félvezető anyagának pontos meghatározását.
A LED úgy működik, hogy áramot vezet rajta előre (azaz az anódnak pozitív potenciálon kell lennie a katódhoz képest ).
A pn átmenet előrefelé meredeken növekvő áram-feszültség karakterisztikája miatt a LED-et áramforráshoz kell csatlakoztatni . A feszültségforráshoz egy olyan elemen (vagy elektromos áramkörön ) keresztül kell csatlakoztatni, amely korlátozza az áramot, például egy ellenálláson keresztül . A LED-ek egyes modelljei beépített áramkörrel rendelkeznek, amely korlátozza a fogyasztott áramot, ebben az esetben a specifikáció jelzi az áramforrás megengedett feszültségeinek tartományát.
Ha egy LED-et közvetlenül olyan alacsony belső ellenállású feszültségforráshoz csatlakoztat, amely meghaladja a gyártó által megadott feszültségesést egy adott típusú LED esetében, akkor a megengedett legnagyobb áramerősséget meghaladó áram folyik rajta, ami a kristály túlmelegedését és azonnali meghibásodást okozhat. A legegyszerűbb esetben az alacsony teljesítményű jelző LED-eknél az áramkorlátozó áramkör a LED-del sorba kapcsolt ellenállás . A nagy teljesítményű LED-ekhez PWM áramköröket használnak , amelyek egy adott szinten tartják a LED-en keresztüli átlagos áramot, és szükség esetén lehetővé teszik a fényerő beállítását.
Elfogadhatatlan a fordított polaritású feszültség alkalmazása a LED-ekre alacsony belső ellenállású forrásból . A LED-ek alacsony (több voltos) fordított áttörési feszültséggel rendelkeznek. Azokban az áramkörökben, ahol lehetséges a fordított feszültség, a LED-et hagyományos , ellentétes polaritású párhuzamosan kapcsolt diódával kell védeni .
A hagyományos LED-ek különféle szervetlen félvezető anyagokból készülnek, az alábbi táblázat felsorolja a rendelkezésre álló színeket hullámhossz-tartománnyal, a dióda feszültségesésével névleges előremenő áram mellett és a félvezető anyagokkal:
Szín | Hullámhossz (nm) | Előremeneti feszültség (V) |
félvezető anyag | |
---|---|---|---|---|
Infravörös | λ > 760 | ΔU < 1,9 | Gallium-arzenid (GaAs) (940 nm) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) (940 nm) Gallium-alumínium-arzenid (AlGaAs) (880 nm) | |
Piros | 610 < λ < 760 | 1,63 < ΔU < 2,03 | Gallium(III) -foszfid (GaP) (700 nm) Alumínium-gallium-arzenid (AlGaAs) (660 nm) Alumínium-gallium-indium-foszfid (AlGaInP) (625-630 nm) Gallium-arzenid-foszfid ( GaAsP -vel) foszfor (PC piros LED) | |
Narancs ( borostyán ) |
590 < λ < 610 | 2,03 < ΔU < 2,10 | Alumínium-gallium-indium-foszfid (AlGaInP) (601-609 nm) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) (607 nm) Foszforral bevont kék LED (PC borostyánsárga LED) | |
Sárga | 570 < λ < 590 | 2,10 < ΔU < 2,18 | Gallium -arzenid-foszfid (GaAsP) (590 nm) Alumínium-gallium-indium -foszfid (AlGaInP) (590 nm) | |
Zöld | 500 < λ < 570 | 1,9 [18] < ΔU < 4,0 | Gallium(III) -foszfid (GaP) (568 nm) alumínium-gallium-indium -foszfid (AlGaInP) (570 nm) alumínium-gallium -foszfid (AlGaP) (570 nm) indium- gallium - nitrid (InGaN) (525 nm) Blueph LED-del bevonva Lime LED) | |
kék zöld [19] | 500 < λ < 510 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Indium- gallium-nitrid (InGaN) (505 nm) | |
Kék | 450 < λ < 500 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Indium- gallium-nitrid (InGaN) (450-470 nm) Cink-szelenid (ZnSe) Szilícium-karbid (SiC) szubsztrát Szilícium (Si) szubsztrát - (fejlesztés alatt) | |
Ibolya | 400 < λ < 450 | 2,76 < ΔU < 4,0 | Indium- gallium-nitrid (InGaN) (405-440 nm) | |
Lila | Több spektrális sáv keveréke | 2,48 < ΔU < 3,7 | Kék LED piros foszforral Dupla: kék és piros dióda egy csomagban Fehér LED bíbor szűrővel | |
UV | λ < 400 | 3,1 < ΔU < 4,4 | Gyémánt (235 nm) [20] Bór-nitrid (215 nm) [21] [22] | |
fehér | Széles spektrum tartomány | ∆ U ≈ 3,5 | Kék (gyakoribb), lila vagy ultraibolya foszfor bevonatú LED Három elsődleges színű LED (piros, kék, zöld) kombinációja |
Annak ellenére, hogy a világon széles körben gyártanak fehér LED-eket sárga vagy narancssárga lumineszcens foszforral felvitt kék/ibolya LED-ekkel kombinálva, lehetséges eltérő színű fényporok használata. A vörös fénypor felhordása eredményeként lila vagy rózsaszín LED-eket kapnak, ritkábban zöld színű LED-eket állítanak elő, ahol a kék sugárzású LED-re zöld lumineszcencia színű foszfort visznek fel.
A LED-ek színes szűrőházzal is rendelkezhetnek.
2001-ben a Citizen Electronics a világon elsőként gyártott PASTELITE néven színes pasztell színű SMD LED-et [25] .
Más elektromos fényforrásokhoz képest a LED-ek a következő különbségekkel rendelkeznek:
A különféle kivitelű LED-ek széleskörű bevezetése az elektromos energia megtakarítására a világításban feltárta, hogy némelyikük spektruma jelentősen eltér a természetes fény spektrumától. Ez negatívan befolyásolhatja az emberek egészségét. Az elvégzett kutatás lehetővé tette új, higiéniailag tökéletesebb LED-ek kifejlesztését [28] . Ugyanakkor a gyengébb minőségű, de gazdaságosabb termékeket is széles körben használják.
szoba világítás
Az autó fényszóróiban
dekoratív alkalmazás
LED spotlámpa
Világítás LED-sorral az iPod Touch 2G-ben
Az OLED-eket általában többrétegű, szerves vegyületekből álló vékonyréteg-szerkezetekként alakítják ki, amelyek hatékonyan bocsátanak ki fényt, amikor elektromos áram folyik át rajtuk.
Az OLED fő alkalmazását a mátrix információs megjelenítő eszközök (kijelzők) létrehozásában találja meg. Feltételezik, hogy az ilyen OLED-kijelzők előállítása sokkal olcsóbb lesz, mint a folyadékkristályos kijelzőké .
Az OLED fő problémája a folyamatos működési idő, amely legalább 15 ezer óra legyen. Az egyik probléma, amely jelenleg megakadályozza ennek a technológiának a széleskörű elterjedését, az az, hogy a piros OLED és a zöld OLED folyamatosan működhet anélkül, hogy elsötétülne, több tízezer órán keresztül tovább, mint a kék OLED [30] . A kék OLED-ek fényerejének idővel történő csökkenése vizuálisan torzítja a színvisszaadást, és a jó minőségű színvisszaadás időtartama elfogadhatatlanul rövidnek bizonyult egy kereskedelmi forgalomban kapható eszköz esetében. Bár ma még a kék OLED 17,5 ezer óra (2 év) folyamatos üzemidőt ért el [31] .
Az OLED kijelzőket a legújabb mobiltelefon -modellek , GPS -navigátorok, OLED TV-k és éjjellátó készülékek használják .
Egyedi vezérlésű LED modulok, úgynevezett Smart LED. Többféle LED-et és integrált digitális vezérlőáramkört tartalmaznak egy csomagban.
A WS2812 LED modul három LED-del rendelkezik (piros, kék és zöld). A vezérlőáramkör szabályozza az egyes LED-ek fényerejét, ami lehetővé teszi, hogy szinte bármilyen színű fényt kapjon. Egyes LED-modulokban, például az SK6812W-ben, az RGB LED-ek hármasán kívül fehér LED (foszfor bevonat) is található. A modul vezérlése általában soros buszon keresztül történik egyetlen vezetékről. A logikai nulla és egy kódolásához szigorúan meghatározott időtartamú jeleket használnak. Minden LED modul rendelkezik bemeneti és kimeneti adatvonallal. Az egyik modul programozásának végén a vezérlő áramköre kikapcsol, majd a bemenetről közvetlenül a kimenetre továbbítja magán a vezérlőjeleket, ami lehetővé teszi, hogy a következő adatcsomag programozza a modulláncban következő modul fényerejét, és így tovább, amíg a lánc összes LED-modulját be nem programozzák.
A bevételek tekintetében a vezető a japán " Nichia Corporation " [32] .
Szintén jelentős LED-gyártó a Royal Philips Electronics , amely LED-cégek felvásárlására törekszik. Így a Hewlett-Packard 2005-ben eladta Lumileds Lighting részlegét a Philipsnek , 2006-ban pedig felvásárolták a Color Kinetics és a TIR Systems vállalatot, amelyek széles technológiai hálózattal rendelkeznek a fehér LED-ek gyártására.
A Nichia Chemical a Nichia Corporation egyik részlege, ahol először fejlesztették ki a fehér és kék LED-eket. Jelenleg a vezető szerepet tölti be az ultra-fényes LED-ek gyártásában: fehér, kék és zöld. A fenti ipari óriások mellett a következő cégeket is meg kell említeni: " Cree ", "Emcore Corp.", "Veeco Instruments", "Seoul Semiconductor" és "Germany's Aixtron", amelyek chipek és chipek gyártásával foglalkoznak. egyedi diszkrét LED-ek.
A szilícium-karbid hordozókon lévő fényes LED-eket az amerikai Cree cég gyártja .
A legnagyobb [33] LED-gyártó Oroszországban és Kelet-Európában az Optogan és a Svetlana-Optoelectronics . Az "Optogan" a " Rosnano " állami vállalat támogatásával jött létre . A cég termelése Szentpéterváron található . Az Optogan LED-ek és chipek és LED-mátrixok gyártásával is foglalkozik, valamint részt vesz az általános világítási LED-ek bevezetésében is.
A Svetlana-Optoelectronics (Szentpétervár) olyan vállalkozásokat egyesít, amelyek teljes technológiai ciklust hajtanak végre a LED-es világítási rendszerek fejlesztésére és gyártására: a heterostruktúrájú félvezető lapkák epitaxiális növekedésétől a komplex automatizált intelligens világításvezérlő rendszerekig.
Ezenkívül a Samsung Electronics Kaluga régióban található gyára nagyvállalatnak nevezhető LED-ek és az azokon alapuló eszközök gyártására .
2021- ben a Technopolis GS innovációs klaszter területén megnyílt a GS LED-ek csomagolására szolgáló gyártóüzem . Ez a leginkább high-tech hasonló gyártás Oroszországban. [34]
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
Félvezető diódák | ||
---|---|---|
Bejelentkezés alapján | ||
LED-ek | ||
Helyreigazítás | ||
Generátor diódák | ||
Referencia feszültségforrások | ||
Egyéb | ||
Lásd még |
|
Fogalmak | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Előfordulás módja |
| ||||||||||||||
Egyéb fényforrások | |||||||||||||||
A világítás típusai |
| ||||||||||||||
Világítótestek _ |
| ||||||||||||||
kapcsolódó cikkek |