Светодиод

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
RBG-LED.jpg
Элемент - Светодиод

Тип - Активный электронный элемент

Принцип работы - Электролюминесценция

Изобретён - Олег Лосев (1927), Ник Холоньяк (1962)

Впервые создан - 1962

Символьное обозначение - LED symbol ru.svg

Пин конфигурация - Анод и Катод

Светодиодная лампа

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Принцип работы[править | править вики-текст]

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

История[править | править вики-текст]

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов[1]. Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.)[2]

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Интересно, что вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды[источник не указан 57 дней] назывались Losev light — «свет Лосева». Со временем название Losev light упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.

Виды светодиодов
Uvled highres macro.jpg
LED washlight - DMX 512 (1123417564).jpg
Светодиод2.jpg
2007-07-24 High-power light emiting diodes (Luxeon, Lumiled).jpg
Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом. Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения. Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Современные мощные сверхъяркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа.
Мощный белый светодиод 20Вт.JPG
Мощный белый светодиод 20Вт в сравнении с красным индикаторным 5 мм светодиодом.

Характеристики[править | править вики-текст]

Обозначение светодиода в электрических схемах

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Современные сверхъяркие светодиоды обладают менее выраженной полупроводимостью, чем обычные диоды. Высокочастотные пульсации в питающей цепи (т. н. «иголки») и выбросы обратного напряжения приводят к ускоренному деградированию кристалла. Скорость деградирования также зависит от питающего тока (нелинейно) и температуры кристалла (нелинейно).

Светодиоды в электрической схеме[править | править вики-текст]

Из-за круто возрастающей вольт-амперной характеристики p-n перехода в прямом направлении, светодиод должен подключаться к источнику напряжения через токостабилизирующую цепь (некоторые светодиоды могут содержать токостабилизирующую цепь внутри себя, в таком случае для них указывается диапазон допустимых напряжений питания).

Важно знать, что непосредственное подключение светодиода к источнику напряжения может вызвать протекание через него тока, превышающего предельно допустимый, перегрев и мгновенный выход из строя. В простейшем случае (для маломощних индикаторных светодиодов) токоограничительная цепь представляет собой резистор, последовательно включенный со светодиодом. Для мощных светодиодов применяются схемы с ШИМ, которые поддерживают средний ток через светодиод на заданном уровне, и позволяют регулировать его яркость.

Недопустимо подавать на светодиоды напряжение обратной полярности. Светодиоды имеют невысокое (несколько вольт) обратное пробивное напряжение. В схемах, где возможно появление обратного напряжения, светодиод должен быть защищён параллельно включенным обычным диодом в противоположной полярности.

Цвета и материалы[править | править вики-текст]

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:

Цвет длина волны (нм) Напряжение (В) Материал полупроводника
Инфракрасный λ > 760 ΔU < 1.9 Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
Красный 610 < λ < 760 1.63 < ΔU < 2.03 Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый 590 < λ < 610 2.03 < ΔU < 2.10 Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый 570 < λ < 590 2.10 < ΔU < 2.18 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Зелёный 500 < λ < 570 1.9[3] < ΔU < 4.0 Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Голубой 450 < λ < 500 2.48 < ΔU < 3.7 Селенид цинка (ZnSe)
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата
Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
Фиолетовый 400 < λ < 450 2.76 < ΔU < 4.0 Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный Смесь нескольких спектров 2.48 < ΔU < 3.7 Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый λ < 400 3.1 < ΔU < 4.4 Алмаз (235 нм)[4]

Нитрид бора (215 нм)[5][6]
Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)[7]
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)[8]

Белый Широкий спектр ΔU ≈ 3.5 Голубой/ультрафиолетовый диод с люминофором;

Светодиоды также могут иметь цветной корпус

Стоимость[править | править вики-текст]

Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока — порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.

К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверхмощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE 15-20$ CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10$.

В связи с широким распространением и расширением производства стоимость светодиодов постоянно снижается.

Преимущества[править | править вики-текст]

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

  • Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами[9] и металлогалогенными лампами, достигнув 160 люмен на ватт.
  • Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
  • Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
  • Спектр современных белых светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
  • Спектральная чистота достигаемая не фильтрами, а принципом устройства прибора.
  • Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
  • Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
  • Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
  • Низкая стоимость индикаторных светодиодов.
  • Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 °C.
  • Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
  • Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов[править | править вики-текст]

Применение светодиодов
SHARP LED Bulbs DL-L601N.jpg
Led traffic lights.jpg
LED DaytimeRunningLights.jpg
Комнатное освещение В светофорах В автомобильных фарах
  • В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента)
  • В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
  • Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
  • В оптопарах
  • Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
  • Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет[10])
  • В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
  • В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
  • В светодиодных дорожных знаках.
  • В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
  • В растениеводстве[11]

Органические светодиоды — OLED[править | править вики-текст]

OLED дисплей

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

Производство[править | править вики-текст]

Наиболее[источник не указан 661 день] крупным производителем светодиодов в мире является компания «Siemens» со своими дочерними предприятиями «Osram Opto Semiconductors» и «Osram Sylvania».

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение Lumileds Lighting, а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании Nichia Corporation, где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: Cree, Emcore Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron, занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Яркие светодиоды на подложках из карбида кремния производит американская компания Cree.

Крупнейшими[12] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод Samsung Electronics в Калужской области.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. ФИЗИК ЛОСЕВ Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
  2. О. В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов
  3. OSRAM: green LED
  4. (2001) «Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction». Science 292 (5523). DOI:10.1126/science.1060258. PMID 11397942.
  5. (2007) «Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure». Science 317 (5840). DOI:10.1126/science.1144216. PMID 17702939.
  6. (2004) «Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal». Nature Materials 3 (6). DOI:10.1038/nmat1134. PMID 15156198.
  7. (2006) «An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres». Nature 441 (7091). DOI:10.1038/nature04760. PMID 16710416.
  8. LEDs move into the ultraviolet, physicsworld.com (May 17, 2006). Проверено 13 августа 2007.
  9. Натриевая лампа — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
  10. Китайские ученые построили беспроводную сеть на светодиодах. Lenta.ru (18 мая 2010). Проверено 14 августа 2010. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  11. Lawrence Stansell. LED Grow Lights. http://pickmyled.com/.
  12. В Петербурге запустили завод светодиодов

Ссылки[править | править вики-текст]