LED устройство, принцип на действие, електрически характеристики
Светодиод (на английски light emitting diode или LED) е радиоелектронно устройство, направено на базата на полупроводник (в повечето случаи легиран силиций или германий), чийто принцип на действие се основава на еднопосочна проводимост с освобождаване на светлинно лъчение.
LED устройство
Като всеки полупроводник, светодиодът е комбинация отp - тип полупроводников кристал (легиран с тривалентен материал - например In) сn - тип полупроводников кристал (легиран с петвалентен материал - например As), който образуваp -n преход.
Кристалътp - тип има свойството "дупкова" проводимост - носители на заряд в такива кристали са положително заредени участъци от ковалентните връзки на кристала, в които липсват електрони (фиг. 1).
Кристалn - тип има електронна проводимост - носителите на заряд в такива кристали са отрицателно заредени свободни електрони (фиг. 2).
Когато кристалp-тип се свърже с кристалn-тип, в областта на контакта им се образуваp –n преход, който има свойството на блокиращ слой (фиг. 3). В областта на контактната точка на два полупроводника от n-тип и p-тип възниква процес на дифузия: дупките от p-областта преминават в n-областта, а електроните, напротив, от n-областта към p-областта. В резултат на това в n-областта в областта на бариерния слой концентрацията на електрони намалява, което е придружено от появата на положително зареден слой. В p-региона иманамалява концентрацията на дупки и се появява отрицателно зареден слой. По този начин в зоната на контакт на полупроводниците се образува двоен електрически слой, чието поле предотвратява процеса на дифузия на електрони и дупки един към друг (фиг. 3).
Ако n-p преходът е свързан към външен източник на ток, така че неговият положителен полюс е свързан с p-областта, а отрицателният полюс към n-областта, тогава силата на електрическото поле в блокиращия слой ще намалее и ще улесни прехода на основните токоносители през контактния слой. В резултат дупките от p-областта и електроните от n-областта ще се движат една към друга, пресичайки n-p прехода, което ще доведе до създаване на ток в права посока (фиг. 4).
Също така, в точката на контакт на два полупроводника (p - n преход), когато се приложи електричество, електроните се рекомбинират с дупки и енергията се освобождава под формата на фотони от светлина (фиг. 5).
За разлика от обикновения диод, светодиодът има голяма контактна площ в точката на контакт на два полупроводника. Поради това зоната на рекомбинация е по-голяма и следователно светенето е по-интензивно. Въпреки това, не всеки p-n преход е способен да освобождава енергия под формата на фотони в спектъра на видимата светлина. Това зависи от забранената зона, енергията на преодоляване на която трябва да бъде съизмерима с енергията на кванта от спектъра на видимата светлина.
LED цвят
Цветовият спектър на излъчване на светодиодите зависи единствено от забранената лента на p-n прехода. Точно тукима рекомбинация на електрони и "дупки", с освобождаване на фотони от светлина. По този начин, физически, цветът на LED светлината зависи от материала на полупроводника и от неговите добавки. Колкото „по-синя“ е светлината на светодиода, толкова по-висока е енергията на квантите за преодоляване на забранената лента на p-n прехода, което означава, че колкото по-голяма трябва да бъде забранената лента. От това следва, че чрез промяна на забранената лента на p-n прехода е възможно да се получи блясък от всеки цвят на дъгата. И за да получите бяло, трябва да комбинирате получените цветове.
Начини за получаване на бели светодиоди
Използват се три често срещани метода за получаване на бяло LED сияние: 1) Смесване на светещите цветове според RGB технологията (фиг. 6). Методът се състои в това, че червени, сини и зелени светодиоди са плътно разположени върху една подложка, чието излъчване се смесва благодарение на оптична система, като пластмасова леща. Резултатът е бяла светлина.
2) На базата на три светодиода, които излъчват ултравиолетова светлина. След това върху повърхността на всеки от светодиодите се нанася покритие от син, зелен и червен фосфор. Така луминофорът започва да свети в три цвята, а когато това сияние се смеси с леща, се получава бял цвят. 3) За основа се взема син светодиод, върху повърхността му се нанася зелен и червен (може би жълто-зелен) фосфор. Така се получава бял или близък до бял блясък.
Всеки метод за получаване на бял блясък има своите предимства и недостатъци. И така, RGB технологията, в допълнение къмвсичко, ви позволява да промените цвета и температурата на светене на светодиодите, като промените силата на тока на всеки от тях. В допълнение, концентрираното разположение на три светодиода в матрицата ви позволява да получите висок общ светлинен поток и светлинна мощност. Тази система обаче не може да осигури еднаквост на блясъка на цялото светлинно петно, тъй като блясъкът в центъра на системата ще бъде по-ярък, отколкото в краищата. Това се дължи на явлението аберация на оптичната система. Производството на светодиоди с помощта на фосфор е много по-евтино от RGB технологията. Недостатъкът на тази система обаче е бързото стареене на луминофора (много по-бързо от LED чипа) и трудността при равномерно нанасяне на луминофора върху повърхността на LED чипа.
Електрически характеристики на светодиодите
LED е полупроводниково устройство с ниско напрежение, консумиращо енергия. Обхватът на мощността на конвенционалните индикаторни светодиоди варира от 2 до 4 волта с консумация на ток до 50 mA. Светодиодите, предназначени за осветяване на помещения, се захранват от същото напрежение, но консумацията на ток на такива устройства е много по-висока и може да достигне няколко ампера. Понякога светодиодните модули, състоящи се от отделни светодиоди, се свързват последователно, което увеличава общото им захранващо напрежение. Но освен факта, че захранващото напрежение на светодиодите е ниско, то също трябва да бъде стабилизирано. Това се дължи на факта, че захранващото напрежение на светодиода експоненциално зависи от консумацията на ток (фиг. 8). При малко увеличение на напрежението консумацията на ток се увеличава многократно, което може да доведе до прегряване на устройството и неговата повреда. Следователно, за да се стабилизира захранващото напрежение на светодиода, се използват преобразуватели или драйвери (предназначени да стабилизират тока).
Регулиране на яркостта на LED
Много често има нужда от промяна на яркостта на светодиода. Това действие никога не трябва да се извършва чрез понижаване на захранващото напрежение на светодиода. Това се прави с помощта на техниката на модулация на ширината на импулса (PWM). Този метод се състои в производството на устройство, което представлява импулсно модулиран генератор на ток с честота на изходния сигнал от стотици до хиляди херца, с възможност за промяна на ширината на импулсите и паузите между тях. По този начин, използвайки това устройство, средната яркост на захранвания светодиод става контролируема, докато светодиодът не изгасва.
Живот на LED
Срокът на експлоатация на светодиодите зависи основно от режима на тяхната работа. Ако това е индикаторен диод с ниска мощност, тогава неговият експлоатационен живот е много дълъг. Това се дължи на факта, че токът, протичащ през него, е малък и не загрява физически сдвоения pn преход. Мощните светодиоди са проектирани за експлоатационен живот от 20-50 хиляди часа. Поради големите захранващи токове, p-n преходът е много горещ, атомната решетка на кристалите се разхлабва, разрушавайки целостта на p-n прехода. Така остаряването на светодиодите в крайния резултат се изразява в намаляване на яркостта им. Така че, ако яркостта на светодиода намалее с 30% от първоначалната си яркост, тогава той трябва да бъде сменен.