Светоизлучающий диод | это… Что такое Светоизлучающий диод?

Светодиоды

Светодиоды высокой мощности

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Как и в нормальном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации.

Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа A^IIIB^V (например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Светодиоды используются в сигнальных и осветительных приборах, например, в «твердотельных лампах».

Содержание 1 История 2 Вклад советских учёных 3 Применение светодиодов 4 Органические светодиоды — OLED 5 См. также 6 Ссылки 7 Примечания

История

Первое известное сообщение о излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

Вклад советских учёных

Обозначение светодиода в электрических схемах

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи p-n-перехода

[1].

О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет в области светодиодов.^[2]

За изучение в 60-х гг. многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур, российский физик академик Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию 2000 года.

Применение светодиодов

Светодиодный фонарь для сценического освещения

Применение светодиодов в светофоре

Применение светодиодов в фарах

• В уличном, промышленном, бытовом освещении.
• В качестве индикаторов, в виде одиночных светодиодов (например индикатор включения на панели прибора) так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например цифры на часах)
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют кластеры светодиодов, светодиодные кластеры, или просто кластеры.
• В оптопарах
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны)
• В подсветке ЖК экранов (мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты, мониторы и т. д.)

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока.

Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов широко применяются в сотовых телефонах,

См. также

• Лазерный диод
• Светодиодный экран
• Синий светодиод

Ссылки

• Яркие и сверхяркие светодиоды
• LED professional in English

Производители светодиодов

Познавательные статьи о светодиодах

• Применение светодиодов в компьютерном моддинге

Примечания

1. ↑ ФИЗИК ЛОСЕВ Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
2. ↑ О.  В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов

Светоизлучающий диод | это… Что такое Светоизлучающий диод?

Светодиоды

Светодиоды высокой мощности

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Как и в нормальном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа A^IIIB^V (например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Светодиоды используются в сигнальных и осветительных приборах, например, в «твердотельных лампах».

Содержание 1 История 2 Вклад советских учёных 3 Применение светодиодов 4 Органические светодиоды — OLED 5 См. также 6 Ссылки 7 Примечания

История

Первое известное сообщение о излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

Вклад советских учёных

Обозначение светодиода в электрических схемах

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи p-n-перехода^[1].

О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет в области светодиодов.

[2]

За изучение в 60-х гг. многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур, российский физик академик Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию 2000 года.

Применение светодиодов

Светодиодный фонарь для сценического освещения

Применение светодиодов в светофоре

Применение светодиодов в фарах

• В уличном, промышленном, бытовом освещении.
• В качестве индикаторов, в виде одиночных светодиодов (например индикатор включения на панели прибора) так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например цифры на часах)
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют кластеры светодиодов, светодиодные кластеры, или просто кластеры.
• В оптопарах
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны)
• В подсветке ЖК экранов (мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты, мониторы и т. д.)

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов широко применяются в сотовых телефонах,

См. также

• Лазерный диод
• Светодиодный экран
• Синий светодиод

Ссылки

• Яркие и сверхяркие светодиоды
• LED professional in English

Производители светодиодов

Познавательные статьи о светодиодах

• Применение светодиодов в компьютерном моддинге

Примечания

1. ↑ ФИЗИК ЛОСЕВ Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
2. ↑ О.  В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов

Принцип и поведение светоизлучающего диода

1. Характеристика источника света

Источник света, используемый для общего освещения, характеризуется:
→ его цветовой температурой или его положением на диаграмме цветности (см. пункт 1.4)
→ его цветом рендеринг
→ его световой поток

1.1 Цветовая температура, горячий или холодный свет

Цветовая температура источника света определяется путем сравнения его спектра со спектром черного тела (1), нагретого между 2000°K и 10000°K.

Для мультихроматических флуоресцентных или электролюминесцентных (СИД) источников, которые имеют нерегулярный спектр и поэтому меньше напоминают спектр черного тела, рассчитывается коррелированная цветовая температура (CCT). На практике мы говорим о цветовой температуре, а не о коррелированной температуре для всех мультихроматических источников света.

Свет с низкой цветовой температурой, такой как стандартная лампа накаливания, называется горячим, в его спектре много желтого и красного, что создает впечатление пламени; он воспринимается как мягкий и удобный. Начиная с 5000°К источник света называется холодным; он становится слепящим и не используется для общего освещения.

В технических паспортах светотехнической продукции указана цветовая температура источников. Например, для офисного освещения мы рекомендуем использовать свет с температурой от 3000 до 4000°К.

1.2 Для светодиодов

Белый свет светодиода, генерируемый синим источником, возбуждающим желтый люминофор, дает холодный цвет в диапазоне температур от 5000 до 10000°K (см. различные методы получения белого света светодиодами в пункте 6.1). Если цветовая температура не указана производителем, она обычно превышает 7000°К.

Горячие белые светодиоды появились недавно благодаря разработке люминофоров, преобразующих синий цвет в широкий спектр, или путем добавления желтого и красного люминофоров к синему светодиоду, что снижает цветовую температуру между 2500 и 5000°K. Снижение цветовой температуры также приводит к снижению выхода светодиодов, связанному с использованием более толстых люминофоров или с добавлением дополнительного люминофора для придания красного цвета.

1.3 Цветопередача

Индекс цветопередачи определяет способность источника восстанавливать цвета освещенного объекта относительно идеального источника. Цветопередача зависит от спектра излучаемого света. Чем больше этот спектр условий и, таким образом, близок к спектру солнечного света, тем лучше будет его передача. Источник света можно использовать для общего освещения, если его цветопередача превышает 80%.

1.4 Для лампы накаливания

→Лампа накаливания имеет индекс цветопередачи, близкий к 100%.

1.5 Для газоразрядного люминесцентного источника или светодиода

→ТЛ-трубка или компактная люминесцентная лампа могут иметь индексы цветопередачи от 80 до более 90%
→Белый светодиод, изготовленный из синего светодиода, покрытого желтым люминофором, как правило, плохо цветопередача (<80), так как в излучаемом свете не было красного цвета и он не восстанавливал правильно этот цвет. Сегодня мы находим белые светодиоды с индексом цветопередачи выше 80.
→Когда индекс цветопередачи превышает 80, это указывается в технических характеристиках светодиода.
→ Натриевая лампа низкого давления (используемая для освещения дорог) имеет цветопередачу 22, почти монохроматическое излучение желтого цвета.

2. Световая отдача

Эффективность источника света определяется световым потоком [лм], излучаемым на единицу мощности, потребляемой источником света [Вт]: люмен/Ватт [лм/Вт]. Светоотдача также учитывает восприятие света человеческим глазом. Это восприятие зависит от длины волны.

2.1 Переход от радиометрии к фотометрии

→Радиометрия изучает электромагнитные волны вообще
→Фотометрия относится к электромагнитным волнам, видимым человеческим глазом, то есть к свету.

2.2 Световой поток, воспринимаемый человеческим глазом для 1 Вт излучаемой энергии

При дневном зрении источник света, излучающий мощность 1 Вт, будет восприниматься по-разному в зависимости от излучаемой длины волны (цвета). При дневном зрении лучше всего воспринимается глазом длина волны 555 нм (желто-зеленый).

Международная комиссия по освещению определила световой поток, воспринимаемый мощностью 1 Вт, излучаемой на длине волны 555 нм, как эквивалентный потоку в 683 люмен. Рисунок 2: Световой поток, воспринимаемый человеческим глазом при излучении мощностью 1 Вт на разных длинах волн при дневном и ночном видении (Международная комиссия по освещению). При ночном видении (2) человеческим глазом лучше всего воспринимается сине-зеленая длина волны 507 нм (1700 лм/Вт).

3. Принцип работы светодиода и его поведение

3.1 Принцип

Светодиод – это особый диод, который генерирует фотоны (свет), когда через него проходит поток электронов. Чтобы построить диод, мы используем кристалл (электрический изолятор), который легирован атомами, у которых есть еще один электрон в их валентной зоне (легирование N) или отсутствует один электрон в их валентной зоне (легирование P).

3.2 Легирование азотом

В качестве донора электронов используется атом, имеющий 5 электронов в валентной зоне. Четыре электрона будут участвовать в кристаллической структуре, а пятый останется свободным и сможет двигаться в кристалле в виде отрицательного заряда.

3.3 Легирование фосфором

Мы используем элемент-акцептор электронов, который имеет 3 электрона в валентной зоне. Они будут участвовать в кристаллической структуре, но у них не будет одного электрона, который создаст фиксированную дырку, похожую на положительный заряд. Примеры P-легирующих элементов: бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (ln).

3.4 Принцип работы

Светодиод представляет собой диод, ограничивающий направление движения носителей заряда. Ток может течь со стороны P-типа (анод) на сторону N-типа (катод), но не в противоположном направлении. В диоде полупроводник n-типа контактирует с полупроводником p-типа, создавая переход 3,5 p-n.

Когда впервые создается p-n-переход, подвижные электроны из области, легированной N, диффундируют в область, легированную P, где имеется большое количество дырок (места для электронов, в которых нет ни одного электрона), с которыми электроны «рекомбинируют». «. Когда подвижный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, и электрон перестает быть подвижным. Таким образом, исчезли два носителя заряда. Область вокруг p-n-перехода истощается переносчиками заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор. Однако ширина истощения не может расти неограниченно. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион примеси остается в области, легированной фосфором. По мере того, как рекомбинация продолжается и создается больше ионов, в зоне истощения возникает возрастающее электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. В этот момент в зоне истощения имеется «встроенный» потенциал.

Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона истощения продолжает действовать как изолятор, предотвращая значительный электрический ток. Это явление обратного смещения. Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова начаться, что приведет к значительному электрическому току через p-n-переход.

4. Примеры применения светодиодов в сигнализации

Подробная информация только о двух применениях светодиодов с технической и экономической точек зрения для светофоров или вывесок в регионе.

Брюссельский столичный регион изобилует компаниями, которые проектируют, производят, устанавливают или продают продукты на основе светодиодов для автомобилей скорой помощи, дорожных сигналов, вывесок, освещения и даже рождественских украшений.

4.1 Светодиодные светофоры столичного региона Брюсселя

Большинство крупных городов мира постепенно заменяют светофоры с лампами накаливания на светодиодные светофоры. Брюссель — столица, первый регион в стране, который заменил светофоры с лампами накаливания на светодиодные светофоры. Столица Брюсселя стала первым бельгийским регионом, перешедшим на светодиодные светофоры.
В ведении области находится около 600 перекрестков со светофорами, что составляет 24 000 светофоров. Во время ремонта и установки новых светильников Служба специальных технических средств управления оборудованием и перемещением заменяет галогенные лампы накаливания на светодиодные. На сегодняшний день установлено 3000 светодиодных блоков.

4.2 Со светодиодами: резкое снижение энергопотребления

Светодиодные блоки мощностью 10 Вт (напряжение питания 42 В) потребляют в 6 раз меньше энергии, чем лампы накаливания мощностью 60 Вт (напряжение питания 220 В).

4.3 Со светодиодами: резкое снижение затрат на техническое обслуживание

→ В целях безопасности лампы накаливания заменяются 3 раза в год (примерно после 1200 часов работы при расчетном сроке службы в 3000 часов), что составляет стоимость в евро. 1,4/блок, включая замену источника света и чистку блока.
→Гарантия производителя на светодиодные источники света составляет 5 лет. Предполагается, что в течение первых 10 лет будет произведена замена. Таким образом, регион несет только расходы на уборку, то есть 0,6 евро за единицу, 3 раза в год.

Первые светодиодные светильники были установлены в регионе 2 года назад, и до сих пор ни один блок не пришлось менять.

4.4 Благодаря светодиодным блокам повышается безопасность на перекрестках

Помимо экономии энергии и расходов на техническое обслуживание за счет использования светодиодов вместо ламп накаливания, безопасность на перекрестках также повышается за счет установки светодиодных блоков:

→Большая надежность Светодиоды и, следовательно, снижение риска выхода из строя источника света способствуют безопасности перекрестков. Более того, светодиодные блоки имеют несколько светодиодов, при выходе из строя одного источника остальные продолжают гореть, не допуская перебоев в работе светофоров.
→Практически мгновенное загорание светодиодного источника позволяет водителю автомобиля быстрее реагировать на переменные изменения.
→ Световой поток у светодиодов больше, чем у ламп накаливания. Светодиод напрямую излучает монохроматический свет желаемого цвета без использования фильтров.
→Кроме того, для борьбы с фантомным эффектом (или инфра) рассеиватель ламп накаливания предназначен для поглощения солнечных лучей, падающих на светильник, наряду с поглощением светового потока, излучаемого источником света ламп накаливания. Поскольку светодиодные блоки менее подвержены фантомному эффекту, коэффициент пропускания линзы может быть лучше. В источниках, изученных Katholieke Hogeschool Sint-Lieven (KAHO), интенсивность света светодиодных светофоров в 4 раза больше (13), чем у светофоров с лампами накаливания, что делает их более заметными для пользователя.

Уменьшен фантомный эффект. Фантомный эффект возникает в результате отражения падающего солнечного света отражателями, окружающими световой модуль, в основном, когда солнце направлено на модуль. В случае фантомного эффекта солнечные лучи отражаются внутри устройства и отражаются обратно, благодаря возможности различать фазу света.

Фантомный эффект выше в лампах накаливания с большим отражателем, окружающим лампу, чем в светодиодных лампах, где отражатели источника очень малы. Более того, светодиодные блоки генерируют более высокий поток (см. выше), что просто определяет световую фазу.

5. Некоторые другие разработки

→Применение светодиодов в общем освещении
→Фундаментальные исследования кристаллических структур, которые необходимо провести для генерации света
→Улучшение результатов преобразования люминофора
→Улучшение технологии производства полупроводников с меньшим количеством дефектов и таким образом генерируя больше света
→Производство полупроводников большего размера. Полупроводники, используемые в светодиодах высокой мощности, имеют площадь
мм2 → Улучшение рассеивания тепла для увеличения плотности тока в полупроводнике и, таким образом, увеличения генерации света и т. д.

LED (светоизлучающие диоды) — MRSEC Education Group — UW–Madison

Это элемент-гармошка с набором кнопок, которые открывают и закрывают соответствующие панели содержимого.

Band Theory

Как описано ниже, простые идеи химической связи могут быть использованы для качественного понимания того, как цвет света, излучаемого светодиодом, зависит от изменений в химическом составе полупроводника.
Ниже приводится краткий обзор зонной теории закрепления этих устройств.

Когда два атома соединяются вместе, образуя M2, образуются две молекулярные орбитали. Когда три атома соединяются вместе, образуя M3, образуются три молекулярные орбитали.

В протяженном твердом теле многие атомы взаимодействуют друг с другом, и число молекулярных орбиталей, делокализованных по всему твердому телу, будет таким же, как число атомных орбиталей, объединенных. Энергетическое разделение орбиталей настолько мало от одной такой делокализованной орбитали к другой, что они составляют так называемую «полосу». Полоса представляет собой своего рода электронную магистраль, позволяющую электронам перемещаться по твердому телу, тем самым проводя электричество. Однако для этого полоса не может быть пустой или заполненной электронами. Только если полоса частично заполнена, может возникнуть суммарный поток электронов, соответствующий электрическому току.

Зона, содержащая валентные электроны, известна как валентная зона. Полоса незанятых орбиталей известна как зона проводимости. Проводимость возникает, когда электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости, где они могут перемещаться по твердому телу. Энергетическое разделение между валентной зоной и зоной проводимости известно как ширина запрещенной зоны.

Энергия запрещенной зоны Eg, показанная двунаправленной стрелкой, представляет собой расстояние между верхом валентной зоны и дном зоны проводимости. Величина запрещенной зоны уменьшается при переходе от изолятора к полупроводнику и к металлу, где она фактически равна нулю. Электронно-дырочные пары показаны для полупроводника в виде закрашенных кружков (электроны) в зоне проводимости и светлых кружков (дырок) в валентной зоне.

Spectra

Спектр поглощения:

Широкий диапазон энергий может вызвать возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости (поглощение; на рисунке показаны электронные переходы, A, и соответствующий спектр поглощения, B).

Спектр излучения:

Возбужденные электроны будут падать из нижней части зоны проводимости в верхнюю часть валентной зоны с испусканием света с очень узкой шириной полосы (излучение; на рисунке показан электронный переход, A, и соответствующий спектр излучения, B).

Полупроводниковые материалы

Полупроводники обычно изготавливаются из комбинаций элементов, имеющих кристаллическую структуру, аналогичную структуре алмаза, и такое же среднее число валентных электронов на атом, что и атомы в алмазе.

Элементарная ячейка алмаза

Кристаллы углерода, кремния, германия и альфа-формы олова из 14-й группы периодической таблицы имеют структуру алмаза, элементарная ячейка которой показана выше. Элементарная ячейка алмаза содержит все атомы одного и того же элемента, расположенные в тетраэдрической геометрии.

 Элементарная ячейка цинковой обманки

Кристаллы углерода, кремния, германия и альфа-формы олова из группы 14 периодической таблицы имеют структуру алмаза, элементарная ячейка которой показана выше. Элементарная ячейка алмаза содержит все атомы одного и того же элемента, расположенные в тетраэдрической геометрии.

Многие комплементарные пары атомов со стехиометрией 1:1 (AZ) и тем же средним числом валентных электронов на атом, что и атомы в группе 14, такие как ZnS, GaAs и ZnSe, имеют структуру цинковой обманки, как показано выше. В элементарных ячейках цинковой обманки имеются атомы двух элементов, каждый из которых расположен в тетраэдрической геометрии и связан исключительно с атомом другого типа.

 Часть периодической таблицы, в которой подчеркивается образование
1:1 AZ твердых тел, изоэлектронных
с твердыми телами группы 14. Дополнительные пары
обозначены аналогичным затенением: например,
Ge, GaAs, ZnSe и CuBr.

Твердотельные растворы

Твердотельные растворы из трех и четырех элементов обычно используются в светоизлучающих диодах. В случаях стехиометрии 1:1, таких как GaAs, часть Ga может быть заменена алюминием, или часть As может быть заменена P, что приводит к получению полупроводников Al1-xGaxAs или GaP1-xAsx соответственно. Четыре элемента можно даже комбинировать, чтобы получить Al1-xGaxPyAs1-y.

A 1.0 Z 0.0                     A 0.8 Z0.2                       A 0.6 Z 0.4                   A 0.4 Z 0.6                 A 0.2 Z 0.8                       A 0.0 Z 1,0
Твердые растворы замещения A 1-X Z X с различной стехиометрией (различные значения x).

Синий свет излучают светодиоды, содержащие In, Ga и N, в то время как светодиоды GaP излучают зеленый свет, а светодиоды, содержащие Ga, P и As, излучают красный свет. Можно изготовить светоизлучающие диоды, представляющие собой твердофазные растворы трех элементов GaP1-xAsx, где x изменяется от 1 до 0. Если x равно 0,6, светодиод горит красным. Светодиод излучает оранжевый свет, когда x равно 0,35. При x равном 0,15 светодиод излучает желтый свет. Зеленый свет излучается при x = 0, т. е. светодиоды состава GaP.

 Светодиодная лента из красных, оранжевых, желтых, зеленых,
и синих светодиодов.

Буквы, обведенные красными, оранжевыми, желтыми, зелеными и синими светодиодами.

Энергия запрещенной зоны также может быть качественно описана в терминах химических связей. Энергию запрещенной зоны можно рассматривать как энергию, необходимую для освобождения электрона от связи в твердом теле, что позволяет ему стать подвижным и, таким образом, способствовать электропроводности. Подключение светодиода к батарее в электрической цепи обеспечивает источник энергии для высвобождения электронов из их связей. Когда некоторые из электронов возвращаются для восстановления связей, высвобождается примерно энергия запрещенной зоны, поскольку это процесс, обратный процессу, используемому для создания мобильных электронов, требующих энергии. Часть высвобождаемой энергии находится в форме света. Таким образом, для любых светодиодов цвет света является грубой мерой ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого состоит светодиод.

Энергию запрещенной зоны можно регулировать, изменяя химический состав полупроводника. Для первых твердых тел со структурой алмаза наблюдается плавное изменение электропроводности по нисходящей периодической таблице. В самом алмазе атомы углерода относительно малы и расположены близко друг к другу, так что связывающие электроны очень плотно удерживаются атомами. Это соответствует большой запрещенной зоне и плохой электропроводности. Действительно, алмаз является превосходным электроизолятором. При переходе к кремнию и германию атомы больше и дальше друг от друга, а связывающие электроны удерживаются гораздо менее прочно. Это соответствует меньшей энергии запрещенной зоны и большему пулу подвижных электронов при комнатной температуре, что соответствует полупроводниковой проводимости. Наконец, у олова атомы еще больше и дальше друг от друга. Ширина запрещенной зоны для олова очень мала, а большая концентрация подвижных электронов соответствует металлической проводимости.

Для многих комбинаций элементов в составных полупроводниках тенденция изменения ширины запрещенной зоны может быть качественно предсказана на основе межатомного расстояния, при этом, как отмечалось выше, более короткие связи соответствуют большей энергии запрещенной зоны. Как показано на рисунке, сочетание Ga с As, P и, наконец, N приводит к постепенному уменьшению длины связи и соответствующему увеличению ширины запрещенной зоны и цвета светодиода. Это семейство твердых тел фактически позволяет настраивать ширину запрещенной зоны от ближнего инфракрасного (GaAs) до красного (As-богатые твердые растворы GaAsxP(1-x)) до зеленого (GaP) и совсем недавно до синего ( GaN).

Подготовка светодиодов

Разработка и подготовка светодиодов иллюстрируют точный контроль как химического состава, так и роста материалов, в результате чего создаются устройства с заданными электрооптическими свойствами. Такие методы, как газофазная эпитаксия металлоорганических соединений (OMVPE, также известная как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы или MOCVD), обеспечивают кинетически контролируемый рост полупроводниковых слоев, которые можно использовать для локализации и оптимизации излучательной рекомбинации электронов и дырок в твердом теле. Как отмечалось выше, химический состав слоев определяет ширину запрещенной зоны и, таким образом, цвет света, связанного с испускаемыми фотонами в результате излучательной рекомбинации.

Полупроводники группы 13-15 (называемые исследователями в этой области полупроводниками III-V), составляющие слои кристаллов светодиодов, производятся путем совместного разложения молекул газа-предшественника группы 13 и группы 15. Например, используя высокоочищенные газы, такие как триметилгаллий и арсин, слой полупроводникового GaAs может быть сформирован путем разложения газов на нагретой подложке в соответствии с уравнением 1.

(Ch4)3Ga(g) + Ash4(g ) —> GaAs(s) + 3 Ch5(g) (1)

Простое химическое осаждение из паровой фазы (CVD) хорошо проиллюстрировано на веб-странице, созданной Hsin-Tien Chiu.

Такие методы выращивания позволяют изменять химический состав практически атомарным образом за счет изменения концентрации и состава газообразных предшественников. Более общее несбалансированное уравнение для настройки химического состава представляет собой уравнение 2, где значение n может принимать значения 0, 1, 2 и 3, отражая состав веществ, полученных из предшественников триалкилов, присутствующих в условиях роста:

x (Ch4)nAl(g) + y (Ch4)nGa(g) + z (Ch4)nIn(g) + Ph4(g) —> AlxGayInxP(s) + Ch5(g) (2)

Нижние индексы продуктов указывают на то, что эти материалы образуют семейство твердых растворов, обладающих, в данном случае, обычной кубической кристаллической структурой цинковой обманки, но переменным составом с (x + y + z) = 1. Как правило, химические составы, близкие к используются согласованные решетки, так что атомные слои продолжают расти эпитаксиально, а дефекты минимизируются.

Химическое осаждение оксида металла из паровой фазы для синего диодного лазера.

В выпуске журнала Science Watch за январь/февраль 2000 года есть информация о голубом лазерном диоде и интервью с Сюдзи Накамурой, человеком, создавшим первый синий светодиод.

У Lumileds есть отличная презентация усовершенствований светодиодов за последние годы.

Схема синего светодиода

Схема для включения синего светодиода очень проста в сборке.

Он состоит из синего светодиода, резистора на 1 кОм и зажима для батарейки на 9 В.

Светодиоды имеют один вывод длиннее другого. Этот длинный провод должен быть подключен к клемме (+) 9-вольтовой батареи с помощью выводов зажима. К одному выводу зажима должен быть припаян резистор 1 кОм, а противоположный конец резистора припаян к светодиоду, как показано ниже.

Нажмите здесь, чтобы узнать, где взять детали для создания собственной схемы с синим светодиодом.

Органические светодиоды (OLED)

Массивы органических светодиодов демонстрируют большие перспективы в качестве замены жидкокристаллическим дисплеям. Преимущество OLED-дисплеев состоит в том, что они излучают свет, в то время как ЖК-дисплеи должны подсвечиваться сзади. Это отличный пример нанотехнологий.

Базовая конструкция OLED
Copyright Chemical & Engineering
News, 26 июня 2000 

OLED состоит из одного или нескольких специальных органических/полимерных материалов между двумя электродами, один из которых прозрачен. Приложение напряжения к электродам вызывает образование дырок и электронов. Свет излучается, когда эти электроны и дырки рекомбинируют. Цвет света зависит от вовлеченных органических/полимерных соединений. Полноцветные OLED-панели можно создать, используя комбинацию красных, зеленых и синих секций, как показано выше.

OLED-дисплеи обещают заменить некоторые приложения для ЖК-дисплеев. Поскольку молекулы излучают свет, нет необходимости в подсветке дисплея, что значительно экономит электроэнергию. Излучаемый свет различается по цвету. Использование красных, зеленых и синих излучающих полимеров устраняет необходимость в фильтрах, необходимых для полноцветных ЖК-дисплеев.

Обещание использования OLED-дисплеев в больших цветных телевизорах не оправдало ажиотажа. Период полураспада синих OLED-дисплеев все еще слишком мал для этого приложения. Тем не менее, производятся полные дисплеи для пользовательских продуктов, которые, как ожидается, через несколько лет будут заменены более новыми/лучшими версиями, такими как сотовые телефоны, музыкальные плееры, дисплеи цифровых камер и т. д. В среднем продолжаются исследования синих OLED, чтобы увеличить период полураспада, продолжительность времени, в течение которого излучаемая яркость уменьшается до половины ее первоначального значения.

Kodak описывает, что это такое, и их атрибуты.

Universal Display Corporation описывает используемые материалы и связанные с ними технологии: TOLED, FOLED и PHOLED. Они также описывают свои последние разработки.

«Скоро появится ноутбук рядом с вами» описывает последние разработки в области OLED-дисплеев в мониторах портативных компьютеров.

Светодиоды все чаще используются там, где важны низкое энергопотребление и длительный срок службы. Вот несколько примеров. Если вы видели другие приложения, которыми хотели бы поделиться, отправьте свое цифровое изображение по адресу: [email protected]. Если у вас нет цифровой камеры или сканера, отправьте нам свой отпечаток, и мы сможем его отсканировать.

Распечатки следует направлять по адресу:
Prof. Mike Condren
Department of Chemistry
Christian Brothers University
650 East Parkway South
Memphis, TN 38104

Примеры

синяя светодиодная подсветка.

Двухцветные светодиоды, используемые в программируемых досках объявлений.
Двухцветные устройства содержат как красную, так и зеленую микросхему.
При одновременном включении красной и зеленой микросхемы они дают желтый цвет.

Радар полицейского управления Шорвуд-Хиллз, штат Висконсин, который отображает вашу скорость с помощью массивов красных светодиодов.

Новый экран мгновенного воспроизведения Sony JUMBOTRON
Стадион Liberty Bowl в Мемфисе, Теннесси.

©Copyrght, 1999, The Nasdaq Stock Market, Inc. Перепечатано с разрешения The Nasdaq Stock Market, Inc.

Для просмотра в реальном времени см. веб-камеру

Радужная светодиодная плата

Вид под микроскопом трехцветного светодиода со снятой пластиковой линзой.

Светодиод на этой плате содержит четыре полупроводниковых чипа: 1 красный, 1 зеленый и 2 синих. Красный, зеленый и синий цвета контролируются независимо друг от друга, что обеспечивает радугу цветовых возможностей. Желтый можно получить, смешав красный и зеленый; голубой, смешивая зеленый и синий, и пурпурный, смешивая красный и синий. Белый свет можно получить, смешав в равных пропорциях красный, зеленый и синий.

Для получения дополнительной информации о смешении цветов посетите веб-сайт Образовательного фонда общих атомных наук.

Стоп-сигналы

В стоп-сигналах этого фургона используются светодиоды, а в задних фонарях — лампы накаливания.

Пик спектра светодиодов приходится на 667 нм. В задних фонарях используются лампы накаливания, и пик их спектра приходится на 647. Таким образом, светодиоды кажутся более красными.

Все новые городские автобусы в Мэдисоне оснащены светодиодами сзади в качестве стоп-сигналов и задних фонарей, а также сигналов поворота.

В новейших автобусах все внешнее освещение, кроме фар, выполнено на светодиодах. Это включает в себя таблички назначения на передней и правой стороне и номер маршрута на правой передней и задней части автобуса.

Грузовики среднего размера также используют светодиодные задние/стоп-сигналы, такие как этот грузовик FedEx в Чикаго.

Зеркальные системы безопасности Signal®.
Signal®Mirrors являются зарегистрированной торговой маркой K.W. Мут Ко.Инк.
Изображение используется с разрешения K.W. Мут Ко.Инк.

К.В. Muth Co. Inc. производит зеркала Signal®, в боковых зеркалах которых используются светодиоды. Они появляются в качестве оригинального оборудования на некоторых пикапах, внедорожниках, фургонах и мотоциклах. Их комплект зеркал Wide Angle Signal® можно установить на любой автомобиль.

Светодиодные мигалки для велосипедов

Светодиоды все чаще используются там, где яркость, низкое энергопотребление и длительный срок службы являются важными факторами безопасности. Еще одним преимуществом является то, что при выходе из строя одного элемента весь узел не перестает работать. Как описано в цитируемом ниже пресс-релизе Hewlett-Packard, светодиоды светят на 200 миллисекунд быстрее, чем обычные лампы накаливания, что дает водителю прицепного транспортного средства больший тормозной путь на одну длину автомобиля на скорости 65 миль в час.

Светофоры

Сколько светодиодов на этом красном светофоре

Обратите внимание на разницу в цвете между светодиодами сверху и лампой накаливания/красной линзой снизу.

Светодиодный индикатор «Не ходить».
Дополнительные сведения о светофорах см. на веб-странице MRSEC «Светофор». Используйте эту ссылку для получения дополнительной информации о применении светодиодов на железной дороге.

Знаки выхода

Каждая точка представляет собой группу светодиодов. Информация о парковке John Wayne Airport Orange County, CA

Каждая точка представляет собой группу светодиодов. Строительная площадка Traffic Arrow Orange County, CA
Линейные матрицы фотодиодов используются в качестве детекторов в спектрофотометрах, таких как эта модель Ocean Optics. В этом конкретном устройстве свет попадает в детектор по оптоволоконному кабелю справа. Свет рассеивается решеткой в ​​нижней части устройства и регистрируется набором фотодиодов в верхней части. Дополнительные сведения о диодных массивах и устройствах с зарядовой связью см. в разделе Устройства с зарядовой связью.

• Преподавание общей химии: помощник по материаловедению, А. Б. Эллис, М. Дж. Гезельбрахт, Б. Дж. Джонсон, Г. К. Лисенски, В. Р. Робинсон.
• Щелкните здесь для получения обновленной информации о поставщиках материалов, упомянутых в книге.
• Solid State Resources — компакт-диск/ПЗУ, доступный в JCE:Software
.
• Университет штата Канзас. Учебные пособия для группы физического образования и КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ С P-N ПЕРЕХОДОМ
• Джордж С. Лисенски, С. Майкл Кондрен, Синтия Г. Видстранд, Джонатан Брайтцер, Артур Б. Эллис, «Светодиоды — это диоды», J. Chem. Эд..Том. 78, 1664А (2001).
• Кондрен С. М., Лисенский Г. К., Эллис А. Б., Норделл К. Дж., Куч Т. Ф., Стокман С. А., «Светодиоды: новые лампы для старой парадигмы текущей модернизации учебной программы», J. Chem. Ред., Том. 78, 1033 (2001).
• Д. Дж. Кэмпбелл, Т. Ф. Куч, Г. К. Лисенски, Дж. К. Лоренц, М. С. Уиттингем, А. Б. Эллис, «Компьютер как эталонный материаловедение». Дж. Хим. Образовательный Том. 75, 297 (1998)
• А.Б. Эллис, «Элементы реформы учебной программы: включение твердых материалов в основу», J. Chem. изд., 74, 1033 (1997)
• Р. А. Паунс и Д. П. Бур, «Полупроводники на основе нитрида для синих и зеленых светоизлучающих устройств», Nature, 386, 351, 27 марта 1997 г.
• Г. Б. Стрингфеллоу и М. Джордж Крафорд, «Светоизлучающие диоды высокой яркости», Semiconductors and Semimetals Vol 48, Academic Press, Сан-Диего, Калифорния, 1997.

Основной производитель/поставщик светодиодов:

• LumiLeds

LumiLeds Lighting — совместное предприятие компаний Agilent Technologies (ранее HP) и Philips Lighting. (http://www.lumileds.com/)

Дистрибьюторы LEDS

• Arrow Electronics
• Электроника будущего

Интерактивные ссылки

• Светодиоды AlInGaP: http://www. tms.org/pubs/journals/JOM/9709/Steigerwald-9709.html (Нитридные полупроводники III-V для высокопроизводительного синего и зеленого света) Излучающие устройства)
Синие светодиоды
• : создайте лучший проигрыватель компакт-дисков: как получить синий свет от твердого тела? Модуль написан Джорджем К. Лисенски, Артуром Б. Эллисом, Гербертом Биллом, DeanJ. Кэмпбелл и Джоанн Стюарт. Quicktime Movies Г. К. Лисенски и Дж. М. Блэквелла
• Светодиод Дона Клипштейна Главная страница
• Корпорация Dialight разрабатывает и продает системы светодиодного освещения для грузовиков, автобусов и светофоров.
Светодиоды
• : от индикаторов к иллюминаторам?
• Некремниевые светодиоды?
• Наружное освещение:
  • Видеодисплеи с очень большим экраном
  • Дисплеи большой площади Smartvision
• Полимерные светоизлучающие устройства: дополнительная информация о полимерной электронике
• Светофоры: оптимизация конструкции и использование светоизлучающих диодов для визуально важных приложений на транспорте и в архитектуре

OLED

• «Повышение эффективности, чистоты цвета и срока службы органических светоизлучающих диодов» Марк Э.