Обозначение в эл. схемах
Рис. 1.Устройство светодиода, Рис.2. Хроматическая диаграмма Рис.3. Светодиод
обозначение в эл. схемах.
Для производства светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl),кроме того нитрид галлия (GaN), который имеет значимую ширину запрещенной зоны (Eg > 3,4 эВ). Запрещенная зона ограничивает проходимость фотонов разной частоты и как следствие разной энергии. То есть запрещенная зона должна быть открыта для фотонов с видимым световым диапазоном.
| Цвет | Длина волны (нм) | Напряжение (В) | Материал полупроводника |
| Инфракрасный | λ > 760 | ΔU < 1.9 | Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид ( ( АlGaAs) |
| 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 nm)[4] Нитрид бора (215 nm)[5][6] Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)[7] Нитрид алюминия- галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN)- (down to 210 nm)[8] |
| Белый | Широкий спектр | ΔU ≈ 3.5 | Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором |
;
Технологии производства светодиодов на основе:
InGaN,
GaN на подложке из карбида кремния,
AlInGaP.
Первые две из них наиболее интересны в плане производства высокоэффективных кристаллов зелёного и голубого цветов свечения. Этим кристаллам уделяется повышенное внимание, потому что на их основе производятся белые светодиодные лампы. AlInGaP-технология позволяет получать кристаллы красного свечения.
Упрощённо светодиодную лампу можно представить как конструкцию, состоящую из корпуса с закреплённым в нём излучающим кристаллом и простейшей оптической системы - собирающей линзы (рис. 1).
У SSL-источника есть некоторые особенности, в силу принципов работы присущие только ему. В частности, его можно рассматривать практически как точечный, поскольку площадь излучающего кристалла мала и составляет даже у мощных светодиодов единицы квадратных миллиметров. Ещё одной особенностью является излучение цветными лампами в очень узкой полосе спектра. С некоторым приближением излучение любого светодиода, кроме белого, можно считать монохроматическим. Имеются твердотельные лампы, излучающие и в ультрафиолетовом, и в инфракрасном диапазоне..
. Весь диапазон видимого человеческому глазу излучения принято представлять в виде хроматической диаграммы - локуса (рис. 2). Здесь оси Y и X - хроматические координаты, отражающие оттенок и насыщенность цвета. Белый свет - это не чистый цвет спектра, а смесь различных цветов. Соотношение составляющих белый цвет «чистых» цветов определяет весьма важную его характеристику, называемую цветовой температурой. Разные цветовые температуры визуально воспринимаются как «тёплое» и «холодное» свечение.
Выбор цвета в светодиодах зависит не от светового фильтра, а от той самой запрещенной зоны. Добавки в диод различных элементов - атомов веществ-активаторов изменяют цвет светодиода. Так на основе фосфида галлия, легированного цинком, кислородом или азотом, можно изготовить светодиод с зеленым излучением, желтым или красным. Многоэлементные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета.
Для получения белого цвета необходимо применение одной из следующих технологии.
1 - смешивание цветов по технологии RGB. На основании максимально близко друг к другу размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, при излучении их свет смешивается путем применения специализированной оптической системы, например линзы. В итоге мы видим белый свет.
2 - на поверхность ультрафиолетового светодиода, наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Ультрафиолет при попадании на данные слои активирует их и при отражении они смешиваются, в итоге получается белый свет.
3 - желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что эти излучения смешиваются, образуя белый свет.
Характеристики светодиодов.
Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше – от нескольких сотен мА. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение питания оказывается более высоким (обычно для применения в автомобиле 12 или 24 вольта).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе светодиод может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 вольт для одного светодиода.
Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света и диаграммой направленности. Яркость светодиодов может быть изменена, снижение напряжения как правило не приводит к желаемому результату (светодиод резко гаснет), Здесь необходимо применение так называемого метода широтно-импульсной модуляции, для чего необходим специальный управляющий блок (блок питания с мультивибратором). На светодиод подается импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а время импульсов и пауз между ними может варьироваться.
Цвет определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности.
Говоря о рабочих температурах светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй – световой выход. В целом с повышением температурыp-n-перехода яркость светодиода падает, так как при колебании решетки увеличивается ее устойчивость и сопротивление. Поэтому для светодиодов очень важен радиатор, которым фактически является его корпус. Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых и синих.
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это относится не ко всем светодиодам. Чем больше ток в светодиоде, тем ярче светит светодиод, и большее количество электронов участвуют в процессе. В итоге нарушается баланс электронов и дырок,приводящий к старению, которое выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. Именно по этой причине затруднена разработка мощных светодиодов для головных ламп освещения в автомобиле.
В светодиоде электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. При должном теплоотводе он мало нагревается, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение отсутствуют, тем самым не оказывая влияния на пластиковые детали, подверженные большему старению в данных диапазонах. Эти качества светодиода делают его незаменимым для некоторых конструкций в пластиковых цоколях, столь часто применяемых в автомобиле.
Светодиод наиболее стабильный и управляемый на сегодняшний день источник света. Время наработки на отказ у современных светодиодных ламп доходит до 100 000 часов (более 10 лет непрерывной работы), что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 – 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Этот не боящийся вибраций и ударов малогабаритный прибор идеален для встраивания в любые конструкции. Широкий температурный диапазон, в котором сохраняется работоспособность твердотельных светодиодных (SSL) ламп, открывает перед ними принципиально недоступные для других технологий области применения.
Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED)
Органический светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.
Основное применение технология OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.