Светоизлучающие диоды: введение
Полупроводники, называемые светоизлучающими диодами (СИД), преобразуют электрическую энергию в энергию света. Полупроводниковый материал и состав определяют цвет выходного света, при этом светодиоды часто делятся на три длины волны: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное.
Имеющиеся в продаже светодиоды с выходной мощностью одного элемента не менее 5 мВт имеют диапазон длин волн от 275 до 950 нм. Независимо от производителя, для каждого диапазона длин волн используется определенное семейство полупроводниковых материалов. В этой статье представлен обзор функционирования светодиодов и краткий обзор отрасли. Также будут обсуждаться различные типы светодиодов, соответствующие длины волн, материалы, используемые в их конструкции, и некоторые виды использования конкретных источников света.
УФ-светодиоды (ультрафиолетовые светодиоды): от 240 до 360 нм
УФ-светодиоды используются, в частности, для дезинфекции воды, медицинских/биомедицинских применений и промышленного отверждения. На длинах волн до 280 нм достигаются уровни выходной мощности более 100 мВт. Нитрид галлия/алюминий-галлиевый нитрид (GaN/AlGaN) с длиной волны 360 нм и более является наиболее часто используемым материалом для УФ-светодиодов. Для более коротких длин волн используются эксклюзивные материалы. Более короткие волны производятся всего несколькими поставщиками, и стоимость этих светодиодов все еще довольно высока по сравнению с остальными предложениями светодиодной продукции, даже если рынок для длин волн 360 нм и более стабилизируется благодаря снижению цен и большому поставлять.
Зеленые светодиоды имеют диапазон от ближнего УФ до 530 нм.
Нитрид индия-галлия (InGaN) является материалом, используемым для товаров в этом диапазоне длин волн. Хотя технически возможно производить светодиоды с любой длиной волны от 395 до 530 нм, большинство крупных поставщиков сосредоточены на производстве синих светодиодов (от 450 до 475 нм) для белого освещения на основе люминофора и зеленых светодиодов с длиной волны 520–520 нм. Диапазон 530 нм для зеленого сигнала светофора. Большинство людей считают технологию, лежащую в основе этих светодиодов, передовой. За последние несколько лет улучшения оптической эффективности замедлились или прекратились.
Светодиоды от желто-зеленого до красного: от 565 до 645 нм
Полупроводниковым веществом, используемым для этого диапазона длин волн, является фосфид алюминия-индия-галлия (AlInGaP). В основном он производится на длинах волн желтого (590 нм) и красного (625 нм) сигнала светофора. Хотя они менее распространены, в этой технологии также предлагаются салатово-зеленый (или желтовато-зеленый 565 нм) и оранжевый (605 нм).
Примечательно, что чисто зеленый (555 нм) эмиттер не характерен ни для технологий InGaN, ни для технологий AlInGaP. В этой области чистой зелени существуют более старые и менее эффективные технологии, но они не считаются эффективными или блестящими. В основном это вызвано отсутствием финансирования для разработки технологий альтернативных материалов для этого диапазона длин волн, а также отсутствием коммерческого интереса или спроса.
от 660 до 900 нм: от темно-красного до ближнего инфракрасного (IRLED)
Конструкция устройств в этой области может принимать самые разные формы, но в них всегда используются элементы из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) или арсенида галлия (GaAs). Среди приложений - многочисленные медицинские применения (на длине волны 660–680 нм), а также инфракрасные пульты дистанционного управления и лампы ночного видения.
Теория работы светодиодов
Электрическое напряжение, достаточное для того, чтобы электроны двигались через обедненную область и соединялись с дыркой на другой стороне, чтобы создать электронно-дырочную пару, должно быть приложено для того, чтобы светодиоды, которые являются полупроводниковыми диодами, излучали свет при электрическом воздействии. ток подается в прямом направлении устройства. Это заставляет электрон излучать фотон, когда он высвобождает свою энергию в виде света.
Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Материалы с большей шириной запрещенной зоны излучают более короткие волны, потому что более короткие волны имеют больше энергии. более высокие напряжения также необходимы для проводимости в материалах с большей шириной запрещенной зоны. В то время как светодиоды ближнего ИК-диапазона имеют прямое напряжение от 1,5 до 2,0 В, коротковолновые синие УФ-светодиоды имеют прямое напряжение 3,5 В.
Факторы доступности и эффективности для длин волн
Рыночный потенциал, потребительский спрос и стандартные длины волн являются основными факторами, определяющими, является ли определенная длина волны коммерчески жизнеспособной или нет. Наиболее заметно это в диапазонах длин волн 420–460 нм, 480–520 нм и 680–800 нм. Нет крупных производителей светодиодных устройств для этих диапазонов длин волн, поскольку они не используются в больших объемах. Тем не менее, можно найти мелких или средних поставщиков, которые поставляют товары для этих конкретных длин волн на индивидуальной основе.
Область длин волн, в которой каждая технология материалов наиболее эффективна, находится почти в центре каждого диапазона. Эффективность снижается по мере того, как уровень легирования полупроводника повышается или падает ниже идеального уровня. По этой причине синий светодиод излучает гораздо больше света, чем зеленый или ближний УФ, янтарный дает больше света, чем желто-зеленый, а ближний ИК дает больше света, чем 660 нм. Дизайн для середины спектра, а не для краев, всегда лучший вариант. Кроме того, проще получить товары, которые не выходят за границы материальных технологий.
Питание светодиодов током и напряжением
Светодиоды являются диодами и должны работать в режиме тока, даже если они являются полупроводниками и требуют минимального напряжения для работы. При использовании светодиодов в режиме постоянного тока существует два основных метода: использование токоограничивающего резистора — самый простой и популярный. Недостатком этой технологии является значительное рассеивание тепла и мощности в резисторе. Напряжение питания должно быть значительно выше, чем прямое напряжение светодиода, чтобы ток оставался постоянным при изменении температуры и от одного устройства к другому.
Коммерческие готовые драйверы светодиодов предлагаются различными поставщиками. Для управления яркостью они обычно работают с использованием принципов широтно-импульсной модуляции.
Отдельный набор проблем возникает при пульсации светодиодов в режиме сильного тока и/или высокого напряжения для массивов, соединенных последовательно и параллельно. Для начинающего конструктора практически невозможно создать импульсный привод с регулируемым током, который может обеспечить 5 А и 20 В. Несколько компаний производят специализированные инструменты для импульсных светодиодов.
Светодиоды в приложениях, которые люди могут видеть
Точный цвет имеет гораздо большее значение в ситуациях, когда светодиоды используются непосредственно в качестве осветительных приборов, чем точный выходной сигнал в люменах или канделах. Мозг отлично приспосабливается к любым изменениям интенсивности света, в то время как человеческий глаз относительно безразличен к ним. Средний человек, смотрящий на светодиодный видеоэкран в здании, например, не заметит 20-процентного снижения яркости, поскольку части экрана просматриваются под углом от 10 до 20 градусов вне оси по сравнению с частью, расположенной непосредственно на оси, потому что это постепенное изменение, которое не воспринимается по мере продвижения к краю поля зрения. Напротив, человеческий глаз заметит изменение цвета и сочтет его неприятным, если длина волны светодиодов в определенной области отличается от длины волны светодиодов в других областях на 10 нм.
Большинство белых светодиодов, используемых сегодня, создаются путем добавления синего светодиода в видимый люминофор с большей длиной волны. Спектральное сходство с солнечным светом измеряется индексом цветопередачи (CRI). Большинство светодиодов, используемых в настоящее время в общем освещении, имеют индекс цветопередачи выше 80, при этом 100 считается эквивалентным солнечному свету. Белые светодиоды становятся наиболее востребованным продуктом для большинства осветительных приборов благодаря достижениям CRI и улучшенной оптической эффективности.
Преимущества и использование светодиодов
По сравнению с фильтрованным светом светодиоды имеют несколько преимуществ для монохроматических приложений, поскольку их спектры длин волн более точно определены. Экономия энергии от использования лампы накаливания с фильтром для общего освещения потенциально может быть в 100 раз выше. Такие приложения, как светофоры и архитектурное освещение, значительно выигрывают от этого. Крошечная солнечная панель может легко питать маломощные портативные светодиодные дорожные знаки вместо большого генератора, что является очевидным преимуществом.
Как правило, светодиоды дешевле, надежнее и могут питаться от более дешевой электроники, чем лазеры. Светодиоды теперь классифицируются отдельно как в США, так и в Европейском союзе. К счастью, в отличие от лазеров и лазерных диодов, светодиоды не имеют таких проблем или предупреждений о безопасности глаз. С другой стороны, с помощью светодиодов невозможно создать оптически плотные, очень маленькие и сильно коллимированные пятна. Лазер почти всегда необходим в приложениях, требующих исключительно высокой плотности мощности в компактной области.
Сегодня светодиоды используются в самых разных отраслях и приложениях (таблица 1). Эти устройства чрезвычайно экономичны и привлекательны как для потребительского, так и для промышленного рынка благодаря высокой надежности, высокой эффективности и меньшей общей стоимости системы по сравнению с лазерами и лампами. Каждая уникальная светодиодная технология и/или цвет были созданы для удовлетворения конкретных потребностей использования.
