Светоизлъчващи диоди: пример
Полупроводниците, наречени светодиоди (LED), преобразуват електрическата енергия в светлинна. Полупроводниковият материал и съставът определят цвета на изходната светлина, като светодиодите често се категоризират в три дължини на вълната: ултравиолетова, видима и инфрачервена.
Предлаганите в търговската мрежа светодиоди с изходна мощност на един елемент от поне 5 mW имат диапазон на дължина на вълната от 275 до 950 nm. Независимо от производителя, за всеки диапазон на дължина на вълната се използва определена фамилия полупроводникови материали. В тази статия е даден преглед на функционирането на LED и бърз поглед към сектора. Ще има и дискусия за различните видове LED, подходящите дължини на вълните, материалите, използвани в конструкцията им, и някои приложения за конкретните светлини.
UV светодиоди (ултравиолетови светодиоди): 240 до 360 nm
По-специално за дезинфекция на вода, медицински/биомедицински приложения и промишлено втвърдяване, UV LED се използват. При дължини на вълните, по-къси от 280 nm, са постигнати нива на изходна мощност над 100 mW. Галиев нитрид/алуминиев галиев нитрид (GaN/AlGaN) с дължини на вълните от 360 nm или повече е материалът, който най-често се използва за UV светодиоди. По-късите дължини на вълните използват изключителни материали. По-късите дължини на вълните се произвеждат само от няколко доставчици и разходите за тези светодиоди са все още доста високи в сравнение с останалите предложения за LED продукти, дори ако пазарът за дължини на вълните 360 nm и по-дълги се стабилизира поради намалените цени и големия доставка.
Зелените светодиоди варират от почти UV до 530 nm
Индиев галиев нитрид (InGaN) е материалът, използван за стоките в този диапазон на дължина на вълната. Въпреки че е технически осъществимо да се произведе светодиод с дължина на вълната с произволна стойност между 395 и 530 nm, повечето големи доставчици се фокусират върху генерирането на сини светодиоди (450 до 475 nm) за базирано на фосфор бяло осветление и зелени светодиоди в 520– 530 nm диапазон за зелено осветление на светофара. Повечето хора смятат технологията зад тези светодиоди за напреднала. През последните няколко години подобренията в оптичната ефективност се забавиха или спряха.
Светодиоди, вариращи от жълто-зелено до червено: 565 до 645 nm
Полупроводниковото вещество, използвано за този диапазон на дължина на вълната, е алуминиев индиев галиев фосфид (AlInGaP). Произвежда се най-вече в жълти (590 nm) и червени (625 nm) вълни на светофара. Въпреки че са по-рядко срещани, лайм-зеленото (или жълтеникаво-зеленото 565 nm) и оранжевото (605 nm) също се предлагат в тази технология.
Заслужава да се отбележи, че чисто зеленият (555 nm) излъчвател не е характеристика нито на технологиите InGaN, нито на AlInGaP. Има по-стари, по-малко ефективни технологии в тази област на чистата зеленина, но те не се смятат за ефективни или брилянтни. Това се дължи най-вече на липсата на финансиране за разработването на алтернативни материални технологии за този диапазон на дължината на вълната, както и на липсата на търговски интерес или търсене.
660 до 900 nm: наситено червено до почти инфрачервено (IRLED)
Конструкцията на устройства в тази област може да приеме много различни форми, но те винаги използват елементи от алуминиев галиев арсенид (AlGaAs) или галиев арсенид (GaAs). Сред приложенията са множество медицински приложения (при 660–680 nm), както и инфрачервени дистанционни управления и светлини за нощно виждане.
Теория на работата на светодиода
Трябва да се приложи електрическо напрежение, което е достатъчно за електроните да се движат през зоната на изчерпване и да се комбинират с дупка от другата страна, за да създадат двойка електрон-дупка, за да може светодиодите, които са полупроводникови диоди, да излъчват светлина, когато електрически ток се прилага в посока напред на устройството. Това кара електрона да излъчва фотон, докато освобождава енергията си под формата на светлина.
Дължината на вълната на излъчваната светлина зависи от ширината на забранената лента на полупроводника. Материалите с по-висока ширина на лентата излъчват по-къси дължини на вълните, тъй като по-късите дължини на вълните имат повече енергия. по-високи напрежения също са необходими за проводимост в материали с по-голяма ширина на лентата. Докато светодиодите с близка инфрачервена светлина имат напрежение от 1,5 до 2.0 V, светодиодите с UV-синьо с дължина на вълната имат напрежение от 3,5 V.
Коефициенти на наличност и ефективност за дължини на вълните
Пазарният потенциал, потребителското търсене и стандартните за индустрията дължини на вълните са основните определящи фактори за това дали дадена дължина на вълната е търговски жизнеспособна или не. Това е най-забележимо в диапазоните на дължината на вълната 420–460 nm, 480–520 nm и 680–800 nm. Няма производители с голям обем, произвеждащи LED устройства за тези диапазони на дължина на вълната, тъй като няма големи приложения за тях. Независимо от това е възможно да се намерят малки или средни доставчици, които предоставят стоки за запълване на тези специфични дължини на вълните по поръчка.
Областта на дължината на вълната, където всяка материална технология е най-ефективна, може да се намери почти в центъра на всеки диапазон. Ефективността намалява, когато нивото на допинг на полупроводника се повишава или пада под идеалното ниво. Поради тази причина синият светодиод произвежда много повече светлина от зеления или почти UV светодиода, кехлибареният произвежда повече светлина от жълто-зеления светодиод, а близкият инфрачервен светодиод произвежда повече светлина от 660 nm. Проектирането за средата на спектъра, а не за краищата, винаги е по-добър вариант. Освен това е по-лесно да получите стоки, които не пресичат границите на материалната технология.
Захранване на светодиоди с ток и напрежение
Светодиодите са диоди и трябва да работят в режим на ток, въпреки че са полупроводници и изискват минимално напрежение, за да функционират. Когато използвате светодиоди в режим DC, има два основни метода: Използването на резистор за ограничаване на тока е най-простият и най-популярен. Значителното разсейване на топлина и мощност в резистора е недостатък на тази технология. Захранващото напрежение трябва да бъде значително по-високо от предното напрежение на светодиода, за да може токът да остане стабилен при температурни промени и от едно устройство на друго.
Търговски готови LED драйвери се предлагат от различни доставчици. За контрол на яркостта те обикновено функционират, като използват принципи на модулация на ширината на импулса.
Различен набор от проблеми възниква при пулсиране на светодиоди в режим на висок ток и/или високо напрежение за масиви, свързани последователно и паралелно. Не е практично за начинаещ дизайнер да създаде импулсно устройство с управляван ток, което може да осигури 5 A и 20 V. Няколко компании произвеждат специализирани инструменти за светодиоди, които пулсират.
Светодиоди в приложения, които хората могат да видят
Точният цвят има значително по-голямо значение в ситуации, когато светодиодите се гледат директно или се използват като осветители, отколкото прецизният изход в лумени или кандела. Мозъкът прави отлични настройки за всякакви промени в интензитета на светлината, докато човешкото око е сравнително безразлично към тях. Средностатистическият човек, който гледа LED видео екран на сграда, например, няма да забележи 20 процента намаление на интензитета, тъй като части от екрана се гледат под 10 градуса до 20 градуса извън оста в сравнение с частта директно по оста, защото това е постепенна промяна, която не се възприема, докато се придвижва към ръба на зрението. За разлика от това, човешкото око ще забележи промяна в цвета и ще го сметне за притеснително, ако светодиодите в дадена област имат 10 nm разлика в дължината на вълната от тези в други области.
Повечето бели светодиоди, които се използват днес, са създадени чрез вливане на видим фосфор с по-голяма дължина на вълната със син светодиод. Спектралната прилика със слънчевата светлина се измерва чрез индекса на цветопредаване (CRI). Повечето светодиоди, използвани в общото осветление днес, имат CRI по-добър от 80, като 100 се считат за еквивалентни на слънчева светлина. Белите светодиоди стават най-търсеният продукт за повечето осветителни приложения поради напредъка на CRI и подобрената оптична ефективност.
Предимства и приложения на LED
В сравнение с филтрираните светлини, светодиодите имат няколко предимства за монохроматични приложения, тъй като техните спектри на дължина на вълната са по-точно определени. Икономията на енергия от използването на филтрирана крушка с нажежаема жичка за общи приложения за осветление може потенциално да бъде 100 пъти по-висока. Приложения като пътни сигнали и архитектурни светлини имат голяма полза от това. Малък слънчев панел може лесно да захранва преносими LED знаци за магистрала с ниска мощност вместо голям генератор, което е очевидно предимство.
Като цяло светодиодите са по-евтини, по-надеждни и може да се захранват от по-евтина електроника от лазерите. Сега светодиодите се класифицират отделно както от САЩ, така и от Европейския съюз. За щастие, за разлика от лазерите и лазерните диоди, светодиодите не идват със същите проблеми или предупреждения за безопасността на очите. От друга страна е невъзможно да се създадат оптически плътни, много малки и силно колимирани петна със светодиоди. Почти винаги е необходим лазер в приложения, които изискват изключително висока плътност на мощността в компактен регион.
Днес светодиодите се използват в широк спектър от сектори и приложения (Таблица 1). Тези устройства са изключително икономични и привлекателни както за потребителските, така и за индустриалните пазари, благодарение на тяхната голяма надеждност, висока ефективност и намалена обща цена на системата в сравнение с лазерите и лампите. Всяка уникална LED технология и/или цвят е създадена, за да отговори на нуждите на конкретна употреба.
