Статьи

02/08/2010

Понятие светодиодов

Светодиодом (по-английски light emitting diode, или LED) называют прибор на основе полупроводников, который преобразует электрический ток в световое излучение. Активная часть светодиода называется «кристалл» или «чип», и состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации, они состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы.

Вот так светодиод выглядит в жизни	А так обозначается на схеме

В 1928 году сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев занялся исследованиями эффекта «Losev Licht» (светящее свойство полупроводников). Интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом. Однако вскоре это открытие стало мировой сенсацией, а после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.

В 1962 году американец Ник Холоньяк из General Electric продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

В 1968-м появилась первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett Packard.

К 1976 г. были получены оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды, яркие настолько, что их можно было разглядеть и при солнечном свете. До 1985 г. они использовались исключительно в качестве индикаторов. В 1990 г. светоотдача полупроводников достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать адекватной заменой лампам накаливания.

Белый диод был создан лишь в 1993г. доктором Накамурой из небольшой химической компании Nichia Chemical Industries. Свой вклад в развитие светодиодов (изготовление многослойных полупроводниковых структур) внёс российский физик академик Жорес Алферов, за что  получил Нобелевскую премию 2000 года.

Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Впервые  цветные светодиоды начали применяться для индикации в различных системах визуализации информации (табло, приборные панели автомобилей и самолетов, рекламные экраны и пр.). Светодиоды, имеющие излучение в желтой, зеленой, красной и синей части спектра, научились изготавливать еще в 60-70 годах двадцатого века. К концу 80-х годов мировое производство светодиодов составляло несколько десятков миллиардов в год. Чтобы применять светодиоды в освещении, необходимо было увеличить их светоотдачу (отношение светового потока к потребляемой энергии) и научиться изготавливать белые светодиоды. Путём изменения яркости или количества импульсов на каждом из кристаллов светодиода можно было добиваться разных цветов свечения, в том числе и белого. А в 2005 году Майклу Бауэрсу (Michael Bowers), аспиранту престижного американского университета Вандербилта (Vanderbilt University) неожиданно удалось получить светодиод, который издаёт свечение белого цвета.

Устройство светодиода

Современный светодиод - это полупроводниковый кристалл, расположенный на подложке, снабженный оптической системой и корпусом.
Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:
InGaN – синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;
AlGaInP - желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;
AlGaAs - красные и инфракрасные светодиоды;
GaP – желтые и зеленые светодиоды.

Основные параметры светодиодов

При выборе изделия  в первую очередь оценивают его качество и эффективность, для этого учитывают ряд характеристик продукта. Приведем характеристики светодиодного оборудования:

Яркость. Основными параметрами яркости светодиодов являются световой поток (люмены), диаграмма направленности и осевая сила света (канделлы). Излучение светодиодов разных видов составляет от 4 до 140 градусов.  

Цвет. Стандартные параметры цвета – длина волны излучения (нанометры),  координаты цветности и цветовая температура белого света (Кельвины). 

Светоотдача. Очень часто для сравнения светильников между собой используется такая характеристика, как светоотдача. Это величина светового потока на ватт электрической мощности (Люмен/Ватт).
Иногда используют и такую характеристику как цена люмена ($/Люмен).
Выбор оценки характеристик зависит от вида светодиодного оборудования – конструкции рефлектора, параметров линзы, покрытия оборудования, типа кристалла и других характеристик.

Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет. По силе света светодиоды делятся на три основные группы: Светодиоды ультравысокой яркости, мощностью от 1W(Ultra-high brightness LEDs) – сотни канделл; Светодиоды высокой яркости, мощнотью до 20 mW (High brightness LEDs) – сотни и тысячи милликанделл; Светодиоды стандартной яркости (Standard brightness LEDs) – десятки милликанделл. Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происходит при их изготовлении. В партии поставки на современном производстве отбираются близкие по спектру излучения кристаллы.

Устройство 5 мм - светодиодов (слева) и мощных (справа) светодиодов