это что такое? Принцип работы светодиода

Повсеместно происходит замена обычных ламп на светодиодные. На сегодняшний день это лучший способ освещения для автомобилей и домов, более долговечный и лёгкий в замене. Итак, в чем заключается принцип работы светодиода и как его правильно выбрать?

Светодиод и принцип его работы

Светодиод – это специальный электроприбор, который перерабатывает ток в некоторое свечение. На сегодняшний день светодиоды более известны как LED, что значит «светоизлучающий диод».

Прибор является полупроводниковым и состоит из кристалла-чипа, корпуса, контактных выводов и оптического устройства. Свет исходит от кристалла, а его цвет может быть различным и зависит от применяемого материала. Яркость светодиода, как и его цвет, также может быть различной. Так, например, для большего светового эффекта в одну лампу часто вставляют несколько кристаллов, вырабатывающих однотонный свет, который в комплексе образует яркое свечение.

Яркость устройства напрямую зависит от силы подаваемого на него электрического тока. В свою очередь, слишком мощный поток электроэнергии вызывает быстрый перегрев внутреннего кристалла и выводит его из строя. Ввиду этого конструкция светодиода несколько затратна по стоимости материалов, что несколько негативно сказывается на выборе таких ламп.

По яркости светодиоды принято делить на категории:

• ультраяркие, их минимальная мощность – 1 W;
• светодиоды повышенной яркости – достигают 20 mW;
• стандартные лампы.

На сегодняшний день широко применяется блок светодиодов, который встраивается в лампу. Благодаря ему возможна регулировка яркости и выбор оптимального режима свечения.

Преимущество светодиодов перед другими типами освещения

Светодиод – это лучший на сегодняшний день выбор типа освещения, который имеет ряд преимуществ:

• Долговечность.
• Возможность регулировки цвета и яркости лампы.
• Цветовая насыщенность, возможность подобрать красный, синий, зеленый светодиод или заставить цвет меняться.
• Возможность электронного управления.
• Экологически чистые материалы, которые не содержат тяжёлых веществ, вредных для окружения и опасных при неправильной утилизации.
• Низкая потребляемая мощность, на 1 ватт вырабатывается в несколько раз больше света.
• Свет чистый и максимально приближён к естественному.
• Не перегреваются благодаря грамотному светоотводу.
• Надёжность и прочность.

Почему светодиоды стали популярны в автоиндустрии? Этот тип освещения идеально подходит для автомобилей, постепенно вытесняя галогенные и ксеноновые лампы. Его положительные качества:

• возможность направления освещения за поворотом руля – создание адаптивных фар;
• эстетически выглядит лучше других видов фар;
• повышение безопасности благодаря улучшению видимости на дороге;
• устойчивость к вибрации;
• зачастую светодиоды установлены в корпус, куда не проникает влага;
• достижение рабочего состояния происходит быстрее, по этой причине стоп-сигналы срабатывают лучше.

Конечно, эти преимущества присущи только действительно качественным продуктам, поэтому экономить на них не стоит, тем более, что период их эксплуатации значительно увеличен по сравнению с китайской продукцией. Дополнительно период эксплуатации светодиодных ламп, если сравнивать с обычными, также значительно больше.

Классификация светодиодов

Выделяют 2 основных вида светодиодов – для подсветки (индикаторные) и для освещения. Их сила и долговечность зависят от подачи электротока, ввиду этого второй вид светодиодов служит меньший срок, так как кристалл изнашивается быстрее. Тем не менее, эти осветительные устройства очень долговечны и служат несколько тысяч часов.

Осветительный светодиод – это устройство, обеспечивающее надёжный и мощный свет. Оно широко применяется в дизайне, создавая нужный уровень освещённости.

По типу корпуса принято выделять светодиод в форме «Звезды», «Пираньи» и SMD. Среди них самыми популярными являются «Пираньи», так как их световой поток представляется более качественным. Их конструктивной особенностью является форма прямоугольника с выводами по краям, с помощью них обеспечивается жёсткое сцепление с поверхностью. Кроме того, подложка устройства обладает отличной теплоотводностью. Эти приборы используют широко в автомобилях и в рекламе. Они разнообразны по размерам и цветам: красный, белый, зелёный, синий светодиод.

Индикаторные светодиоды имеют конструкцию попроще, их свет не такой сильный и используется для подсветки дисплеев и приборных панелей. По форме выделяют круглые, овальные и прямоугольные индикаторные светодиоды.

Линзы также отличаются друг от друга, они могут быть встроены и в осветительные, и в индикаторные лампы. Некоторые предназначены для рассеивания света (этих устройств подавляющее большинство), другие – для фокусировки, благодаря направленному пучку производимого света. Причём во второй группе выделяют линзы плоские, конусообразные и круглые.

По цвету линзы светодиоды бывают:

• бесцветными прозрачными;
• окрашенными прозрачными;
• окрашенными матовыми.

Кроме того, цветовая гамма исполнения прибора сейчас очень разнообразна. Существует жёлтый, красный, синий, зеленый светодиод и т. д. Эти цвета умело комбинируются, создавая ещё более широкий спектр. Наиболее сложно, как ни странно, получить чистый белый цвет.

Белый светодиод получают тремя способами:

• одновременное использование в правильных пропорциях красного, синего и зелёного цветов даёт ощущение белого цвета;
• применение синего диода с примесью жёлтого;
• третий метод требует применения люминесцентных материалов, который преобразовывает ультрафиолет, действуя по принципу флуоресцентной лампы.

Белый светодиод наиболее распространён, хоть и получить его несколько сложно. Он бывает холодным и тёплым. На лампочке обычно этот параметр указан в кельвинах, чем меньше показатель, тем цвет будет желтее и теплее. Производители рекомендуют остановить свой выбор на усреднённом параметре, хотя и к холодному, синеватому свету также можно быстро привыкнуть.

Выбор лампы для дома

Выбор лампы для дома включает несколько этапов, где необходимо определиться с типом сети, диаметром цоколя и внешним видом самого осветительного прибора.

Светодиод 220 вольт выпущен в наиболее распространённых типах цоколя – Е27 и Е14. Цифры обозначают диаметр резьбы в миллиметрах. Первый вид ламп зачастую встречается в форме шара, второй – шара или кукурузы.

В чём же заключаются их главные преимущества? Во-первых, это возможность блокировки и настройки яркости свечения самостоятельно. Во-вторых, это выбор цветового освещения и возможность дистанционного управления им. В-третьих, долговечность эксплуатации и повышенная надёжность.

Выбирая форму, нужно обратить внимание на то, что лампы-кукурузы хоть и имеют достаточно неплохие характеристики, они всё же небезопасны. Их контакты выходят наружу, и производители отказываются в последнее время от выпуска устройств подобной формы.

Для освещения нежилых помещений или ванных комнат используются менее мощные лампы, поэтому если нет необходимости применять светодиод 220 вольт, можно обойтись маленькими плоскими приборами с цоколем G53 и GX53. Это круглые лампы, где используется несколько диодов.

Цвет рекомендуется выбирать обычный белый, так как это не слишком тёплый и не очень холодный цвет, оптимальная характеристика которого составляет 4200 К.

Обратить внимание при приобретении лампы стоит и на следующие характеристики:

• количество диодов – от того, сколько светодиодов находится в лампе, зависит её яркость, особенно при длительном периоде использования, когда они начинают тускнеть и перегорать;
• режим рабочей температуры – нужно учитывать, что при выборе лампы для улицы она должна быть эффективной и при возможных морозах, это обычно указывается в паспорте устройства;
• возможность пульсаций – мигание встречается у дешёвых ламп, обычно при покупке дорогостоящей оно сводится к минимуму;
• условия эксплуатации иногда требуют повышенной защиты устройства, допустим, стойкость к влаге, необходимо об этом параметре поинтересоваться у продавца;
• при выборе производителя нужно обращать внимание на диаметр цоколя, так как не все импортные разработчики выпускают светодиод 220В;
• необходимый световой поток, который измеряют в Люменах, – осветительные или индикаторные лампы.

Выбор производителя

На рынке присутствует множество производителей, которые демонстрируют различный уровень качества. Соответственно, их ценовая политика поставщиков также значительно отличается.

Главным недостатком светодиодов является их стоимость. Поэтому, если уже платить немаленькие деньги за продукт, необходимо, чтобы он был действительно качественным. Поэтому стоит с ответственностью подойти к выбору производителя и поставщика.

Производителей условно можно разделить на 5 групп.

1. Китайские дешёвые никому не известные бренды.
2. Известные китайские и азиатские производители. Наиболее популярными являются Selecta, Camelion, LG. Они используют современное оборудование, и качество выпущенной продукции у этих компаний достаточно высокое, поэтому достаточно большой сегмент отечественного рынка занят товаром из Азии. Отдельно стоит отметить светодиоды LG, которые с 2016 года значительно уменьшили цену на свой товар благодаря использованию новых технологий в производстве. Причём качество остаётся на прежнем уровне. В этом можно не сомневаться. Специализируется компания на лампах средней мощности и достаточно неплохо себя проявляет относительно аналогов.
3. Отечественные производители, которые делают продукт высокого качества, но их технология достаточно дорогая, поэтому и цена на лампы соответственная. К сожалению, на территории России поздно узнали о широких возможностях светодиодов и отечественных производителей пока не так много. Это, к примеру, «Оптоман» и Gauss. Эти компании имеют свой модельный ряд продукции и доступны по всей стране.
4. Европейские производители представлены преимущественно немецкими фирмами Philips, Osram, Bioledex, которые имеют огромный опыт производства ламп. Пожалуй, Philips остаётся лидером в этом сегменте рынка, хотя и стоит он относительно дорого.
5. Китайско-российские проекты, такие как Ecola, Newera – также неплохие по качеству и цене бренды, которые значительно моложе фирм-конкурентов.

Таким образом, среди такого обилия производителей иногда достаточно сложно выбрать достойный бренд, поэтому особенно важно и нужно обращать внимание главным образом на характеристики продукта и условия его эксплуатации.

Приблизительный алгоритм действий при установке светодиода

Если есть хоть малейшие познания в электрике и был опыт установки любых ламп, можно светодиод попробовать установить и самому. Для начала нужно убедиться в работоспособности ламп. Последовательность действий должна быть следующей:

• изучение технических характеристик и подсчёт, сколько вольт потребляет один светодиод;
• составление схемы подключения с учётом напряжения;
• вычисление потребляемой мощности электроцепи;
• далее нужно подобрать блок питания, который бы подошёл по мощности, это также может быть и драйвер;
• на ножках светодиода указана полярность, к которым нужно припаять провода;
• подключение блока питания;
• установка диодов и их закрепление;
• если всё в порядке, необходимо измерить такие характеристики, как количество потребляемой энергии, нагрев, электроток;
• корректировка электротока;
• прогрев в течение получаса – чтобы ничего не случилось при первоначальной установке и для того, чтобы предупредить перегрев, светодиоды лучше покупать на подложке в форме звезды.

В процессе эксплуатации, особенно, если это продукция китайского производства, иногда необходима замена светодиодов. Чем обращаться к специалистам, замену можно выполнить самостоятельно при наличии нужных инструментов. Раскрутив лампу, с помощью цифрового мультиметра прозванивают диоды. Они, в свою очередь, слабо подсвечиваются, и некоторые из них могут не работать. Ненужные диоды отпаивают и меняют на новые. Конечно, это происходит, когда запасные светодиоды есть в наличии, для этого можно взять старую лампу.

На сегодняшний день популярным дополнением является программа «Ардуино». Светодиод, подключая к нему, можно заставить мигать. Плата «Ардуино» имеет много возможностей, вводы-выводы, а также к ней можно подключить практически любое устройство. Эта программа способна принимать сигналы от различных устройств, что и заставляет воздействовать на них. Это лёгкая и удобная среда для программирования, с которой несложно справиться даже обычному пользователю.

Выбор светодиодов для автомобиля

Автовладельцы всё чаще переходят на новый тип освещения в своей машине. Это действительно хорошее решение не только в плане режима работы, но и относительно внешнего вида автомобиля. Авто значительно преобразится, привлекая взгляды проезжающих мимо водителей. Освещением светодиодного типа можно смело заменить все лампы, которые используются в автомобиле.

Как выбрать габариты и свет для передних стоп-сигналов?

Большая часть автопрома применяет лампы без цоколя, устанавливаемые в проёме между передними фарами. Преимуществом светодиодов является их стойкость к любым температурам, так как они находятся вблизи от главной осветительной лампы, возможен перегрев кристалла и преждевременный его выход из строя. Ввиду этого, при выборе освещения необходимо обратить внимание на дополнительную защиту светодиодов – наличие стабилизатора электротока.

При выборе ламп нужно обратить внимание на их серию, допустим, серия SF хоть и не имеет стабилизатора, вполне подходит для автомобиля, так как имеет большое количество диодов и работает в широком диапазоне, отлично освещая пространство.

Нужно также обратить внимание на размеры лампы, так, указанный пример SF – достаточно большое устройство. Нужно хорошо все продумать перед покупкой освещения.

Популярной также является серия для габаритов — СМД, которая имеет отличные характеристики, но и стоит немалых денег.

Заднее освещение автомобиля

Задние стоп-сигналы принято оборудовать цокольными двухконтактными светодиодами. Наиболее популярные серии: МСД, 14НР и 3х1W. Они имеют несколько различный режим работы, отличаются количеством диодов. Но все имеют достаточно высокие показатели. Эти светодиоды являются яркими, обеспечивают насыщенный свет и долговременный срок службы.

Самые доступные по стоимости – лампы серии SF.

Светодиоды для салона

Перед выбором ламп для салона необходимо определиться с типом его освещения и величиной плафона.

В салон нужно подбирать лампу фестонного типа – это продолговатые устройства, размером 31-41 мм. Выделяют 3 вида светодиодов для салона.

1. Устанавливаются в разъём плафона вместо старой обычной лампочки. По размеру такие светодиоды практически идентичны обычным осветительным приборам, они применяются при невозможности из-за небольшой величины плафона использовать другую лампу.
2. Светодиоды большего размера, чем стандартная лампочка. Перед установкой нужной убедиться, подойдёт ли такое устройство под плафон. Благодаря большему размеру, увеличивается и количество диодов в лампе. Таким образом, освещение становится значительно ярче обычного.
3. Матрицы, вмещающее большое количество диодов. Если плафон достаточно большой и может вместить прямоугольную матрицу, то этот тип освещения будет наиболее ярким и насыщенным.

В салонном освещении используются лампы типа SF или СМД.

Кроме того, в автомобилях широко применяется замена противотуманных фар на лампы со светодиодом. Особое внимание стоит обратить автолюбителям, желающим выделиться среди других, на подсветку светодиодной лентой и на «ангельские глазки».

Подводя итог

Светодиод – это отличная альтернатива старым лампочкам, которая помогает решить проблему недостаточного освещения помещения. Даже при большей стоимости, чем обычная лампа, это отличное капиталовложение, так как светодиод способен служить не один год и дарить яркий свет дому и автомобилю.

светодиод

Оглавление

Введение

Понятие, виды, структура светодиодов

Свойства и характеристики светодиодов

Возможности, применение и недостатки светодиодов

Заключение

Список литературы

Понятие, виды, структура светодиодов

Светодиод-это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод («минус»), а другой — анод («плюс»).

Схема лампы на светодиодах

Лампы на светодиодах всё более популярны. Цены на светодиоды постепенно снижаются, и замена ламп накаливания на светодиоды выглядит все более привлекательной. Экономичность и долговечность, удешевление и улучшение качественных характеристик светодиодов, располагают к тому, что самодельная лампа на светодиодах это реальность. Лампа на светодиодах своими руками — это здорово.

Несложная схема светодиодной лампы для изготовления в домашних условиях показана на рисунке.

На этой схемы видно, что для питания светодиодов используется мостовой выпрямитель с емкостным балластом, который ограничивает выходной ток. Такие источники питания экономичны и просты, не боятся коротких замыканий, их выходной ток ограничивается емкостным сопротивлением конденсатора. Подобные выпрямители часто называют стабилизаторами тока.

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

Принцип работы светодиода заключается в следующем: свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя [1].

Светодиод хорош тем, что в нём, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света

Плох светодиод только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

Цвет светодиода зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал кпд и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегре­вались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и сделало возможным получение светодиодов белого свечения. Существует четыре способа создания белых СД, каждый со своими достоинствами и недостатками. Один из них – смешение излучения СД трёх или более цветов. На рис. 2 показано получение белого света путем смешивания в определённой пропорции излучения красного, зелёного и синего светодиодов.

В принципе такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из СД – красного, зелёного или голубого – можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих токах и напряжениях интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для синтеза белого цвета. Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ неудобен, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СД. Второй и третий способы – смешение голубого излучения СД с излучением либо жёлто-зелёного люминофора, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучением. На рис. 3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора [6].

Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть голубого излучения возбуждала люминофор, а часть – проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы излучение имело белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас исследуется около десятка различных люминофоров для белых СД. На рис. 4 показано строение 5мм светодиода, излучающего белый свет. Четвертый способ – смешение из лучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. На рис. 5 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора. Этот способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ-спектру излучения кристалла СД. Светоотдача белых СД ниже, чем светоотдача СД с узким спектром, поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть её теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших белых СД 25…30 лм/Вт.

Свойства и характеристики светодиодов

Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Реакция светодиода на повышение температуры такова: p-n-переход – это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий собой соединённые вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов – «n-тип», второй с избытком дырок – «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к р-части, то через него потечёт ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов [1].

Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещённый p-n переход пошёл ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда – электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решётки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона. В случае безизлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация. Впервые это явление в далёкие 20-е годы исследовал О.В. Лосев, наблюдавший свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто «побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для светодиодов же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы.

Говоря о температуре 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 температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Применение и недостатки светодиодов

Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными -газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

Преимущества

Экономично…

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно…

Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно…

Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Красиво…

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно…

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость – главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и неоновыми трубками различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». До сих пор затраты на светодиодные модули — два раза выше стоимости неонового изделия аналогичной яркости. Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 — 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Также недостатком при использовании светодиодов в конструировании объемных букв средних и крупных размеров можно считать их миниатюрность, из-за которой требуется объединять многочисленные отдельные светодиоды в группы. Чтобы обеспечить яркий и красочный свет, мгновенно привлекающий внимание, требуется большое количество светодиодов. В данном случае возникает необходимость использования универсальных модулей: один или два светодиода, которые можно интегрировать практически в любой рекламный образ.

Где применяют светодиоды?

все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.)

замена неона

дизайн помещений

дизайн мебели

архитектурная и ландшафтная подсветка

одноцветные дисплеи с бегущей строкой

магистральные информационные табло

полноцветные дисплеи для больших видео экранов

внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах

дорожные знаки и светофоры

Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.

Светодиоды — это… Что такое Светодиоды?

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».

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 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

Ссылки

Производители светодиодов

Познавательные статьи о светодиодах

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

Светодиод — Википедия

Светодиодная лампа

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Принцип работы

При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой^[1]).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), 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. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом^[en] из Маркони Лабс^[en]. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов^[2]. Теоретического объяснения явлению тогда не было. 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. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.)^[3]

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод.^[4][5] Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации Nichia Chemical Industries, смогли изобрести дешевый синий светодиод (LED). За открытие дешевого синего светодиода им троим была присуждена Нобелевская премия по физике в 2014 г.^[6][7]. Синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Характеристики

Обозначение светодиода в электрических схемах

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Светодиоды в электрической схеме

Светодиод работает при пропускании через него тока в прямом направлении (т.е. анод должен иметь положительный потенциал относительно катода).

Из-за круто возрастающей вольт-амперной характеристики p-n-перехода в прямом направлении светодиод должен подключаться к источнику тока. Подключение к источнику напряжения должно производиться через элемент (или электрическую цепь), ограничивающий ток, например, через резистор. Некоторые светодиоды могут иметь встроенную токоограничивающую цепь, в таком случае для них указывается диапазон допустимых напряжений источника питания.

Непосредственное подключение светодиода к источнику напряжения, превышающего заявленное изготовителем падение напряжения для конкретного светодиода, может вызвать протекание через него тока, превышающего предельно допустимый, перегрев и мгновенный выход из строя. В простейшем случае (для маломощных индикаторных светодиодов) токоограничивающая цепь представляет собой резистор, последовательно включенный со светодиодом. Для мощных светодиодов применяются схемы с ШИМ, которые поддерживают средний ток через светодиод на заданном уровне и, при необходимости, позволяют регулировать его яркость.

Недопустимо подавать на светодиоды напряжение обратной полярности от источника с малым внутренним сопротивлением. Светодиоды имеют невысокое (несколько вольт) обратное пробивное напряжение. В схемах, где возможно появление обратного напряжения, светодиод должен быть защищён параллельно включенным обычным диодом в противоположной полярности.

Цвета и материалы

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде и материал:

	Цвет	длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
	Инфракрасный	λ > 760	ΔU < 1,9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
	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[8] < ΔU < 4,0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
	Синий	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 нм)[9] Нитрид бора (215 нм)[10][11] Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)[12] Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)[13]
	Белый	Широкий спектр	ΔU ≈ 3,5	Синий/фиолетовый диод с люминофором;

Несмотря на то, что в мире широко выпускаются белые светодиоды в конструктиве синего/фиолетового свечения кристалла с нанесенным на него желтым или оранжевым люминофором, ничто не мешает нанести и люминофоры другого цвета свечения. В результате нанесения красного люминофора получают пурпурные или розовые светодиоды, гораздо реже выпускают светодиоды салатного цвета, где на синий кристалл наносится люминофор зеленого цвета свечения.

Светодиоды также могут иметь цветной корпус.

В 2001 году Citizen Electronics первой в мире произвела цветной SMD светодиод из цветной пастели под названием PASTELITE^[14].

Преимущества

По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами^[15] и металлогалогенными лампами, достигнув 146 люмен на ватт^[16].
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «деградация» кристалла и постепенное падение яркости.
• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
• Спектр современных белых светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
• Спектральная чистота, достигаемая не фильтрами, а принципом устройства прибора.
• Отсутствие инерционности — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода, обычно не выше 60 °C.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов

• 

  Комнатное освещение

• 
• 

  В автомобильных фарах

• 

  Декоративное применение

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента)
• В качестве индикаторов — как 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 светодиодными кластерами или просто кластерами
• 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, интернет^[17])
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
• В растениеводстве

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, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, 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, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

Производство

По размеру выручки лидером является японская «Nichia Corporation»^[18].

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение «Lumileds Lighting», а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании «Nichia Corporation», где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: «Cree», «Emcore Corp.», «Veeco Instruments», «Seoul Semiconductor» и «Germany’s Aixtron», занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Яркие светодиоды на подложках из карбида кремния производит американская компания «Cree».

Крупнейшими^[19] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод «Samsung Electronics» в Калужской области.

См. также

Примечания

Ссылки

Светодиод — это… Что такое Светодиод?

Элемент — Светодиод

Тип — Активный электронный элемент

Принцип работы — Электролюминесценция

Изобретён — Олег Лосев (1927), Ник Холоньяк (1962)

Впервые создан — 1962

Символьное обозначение —

Пин конфигурация — Анод и Катод

Светодиодная лампа

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

В 1907 году Генри Джозеф Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены О. В. Лосевым в 1923 году, который, экспериментируя с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Вероятно, первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

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

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), 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. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

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

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды назывались «Losev Light» «Свет Лосева». В силу того, что в СССР в 1960-е годы такие науки, как кибернетика, генетика были в загоне, то таким мелочам, как светодиоды не уделялось должного внимания как со стороны академии наук, так и со стороны патентных организаций СССР. Постепенно название «Losev Light» упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.

Вклад советских учёных

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи спая^[1]. Теоретического объяснения явлению тогда не было.

Виды светодиодов

Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом.		Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения.		Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Яркость свечения сравнима с яркостью лампы накаливания мощностью 15 Вт.		Современные мощные сверх-яркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа.

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 СССР приоритет в области светодиодов^[2], утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

Характеристики

Обозначение светодиода в электрических схемах

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Современные сверхъяркие светодиоды обладают менее выраженной полупроводимостью, чем обычные диоды. Высокочастотные пульсации в питающей цепи (т.н. «иголки») и выбросы обратного напряжения приводят к ускоренному деградированию кристалла. Скорость деградирования также зависит от питающего тока (нелинейно) и температуры кристалла (нелинейно).

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 26 апреля 2012.

Цвета и материалы полупроводника

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:

	Цвет	длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
	Инфракрасный	λ > 760	ΔU < 1.9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
	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;

Стоимость

Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока — порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.

К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверхмощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE 15-20$ CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10$.

Преимущества

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами^[9] и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
• Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
• Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30% до 100% за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов

Применение светодиодов

Комнатное освещение		В светофорах		В автомобильных фарах

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч. светодиодная лента)
• В качестве индикаторов — как 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 светодиодными кластерами или просто кластерами
• 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, интернет^[10])
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

Органические светодиоды — OLED

OLED дисплей 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, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, 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, причём 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 применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

Производство

Наиболее^{[источник не указан 41 день]} крупным производителем светодиодов в мире является компания «Siemens» со своими дочерними предприятиями «Osram Opto Semiconductors» и «Osram Sylvania».

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение Lumileds Lighting, а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании Nichia Corporation, где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: Cree, Emcore Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron, занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Крупнейшими^[11] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г.Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод Samsung Electronics в Калужской области.

См. также

Примечания

Ссылки

Что такое светодиод? История развития, интересные факты, перспективы

Во всех наших статьях мы стараемся доносить информацию до читателей и покупателей магазина в максимально доступной форме, старательно избегая малопонятных обывателю терминов и описания физико-химических процессов. Так мы попробуем поступить и сейчас, поскольку, подкованные в научных дисциплинах читатели без труда смогут найти в Интернете информацию по данной теме на гораздо более научном языке.

Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый прибор, трансформирующий электроток в видимое свечение. У светодиода есть общепринятая аббревиатура — LED (light-emitting diode), что в дословном переводе на русский язык означает «светоизлучающий диод». Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чип) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Непосредственно излучение света происходит от этого кристала, а цвет видимого излучения зависит от его материала и различных добавок. Как правило, в корпусе светодиода находится один кристалл, но при необходимости повышения мощности светодиода или для излучения разных цветов возможна установка нескольких кристаллов.

В светодиоде, в отличие от привычной лампы накаливания или люминесцентной лампы (ее еще называют «энергосберегающей»), электроток трансформируется в видимый свет. В теории, такое преобразование можно выполнить вообще без, так называемых, «паразитных» потерь электроэнергии на нагрев. Это связано с тем, что при грамотно спроектированном теплоотводе светодиод нагревается очень слабо. Светодиод излучает свет в узком спектре, его цвет «чист», что особенно ценно применительно к дизайнерскому освещению. Ультрафиолетовые и инфракрасные излучения, как правило, отсутствуют.
 

История развития светодиода

В 1907 году британский инженер-экспериментатор Генри Джозеф Раунд (на фото слева) впервые обнаружил едва заметное излучение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами, вследствие неизвестных в то время электронных превращений.

В 1923 году в Нижнем Новгороде, молодой российский ученый Олег Лосев (на фото справа) также зафиксировал это свечение при проведении радиотехнических лабораторных опытов с полупроводниковыми детекторами, но интенсивность обнаруженных свечений была крайне низкой и Российское научное сообщество не придало этому событию должного значения. Через несколько лет Олег Лосев провел целенаправленные исследования этого феномена и углублялся в их изучение вплоть до своей смерти — Олег Лосев ушел из жизни в блокадном Ленинграде зимой 1942 года в возрасте 38 лет. До начала войны Олег Лосев активно публиковал результаты своих изысканий в немецкий научных изданиях, где открытый им эффект посчитали сенсационным и назвали его именем ученого — «Losev Licht». Природа этого излучения окончательно стала понятна только в 1948 после изобретения транзистора и появления теории «p-n-перехода», являющейся научной основой функционирования известных ныне полупроводников. 

В 1962 году группа ученых из Университета Иллинойса (США), которой руководил Ник Холоньяк (на фото слева), продемонстрировала работу первого светодиода, что стало знаковым событием и именно этот момент многие специалисты считают открытием привычного нам светодиода. В этом же году Ник Холоньяк создал первые «красные» светодиоды, которые уже можно было применять в промышленности. 

В 1972 были открыты полупроводниковые излучатели зеленого и желтого цвета. Их яркость постепенно увеличивалась и в 1990 году уже составляла 1 люмен.

Суджи Накамура (на фото справа) — инженер малоизвестной тогда японской фирмы Nichia (Ничиа) в 1993 году получил первый синий сверхъяркий светодиод. После этого, почти моментально были созданы светодиодные RGB (Red-Green-Blue) устройства, поскольку эти три цвета (зеленый, синий, красный) в своем сочетании сделали возможным создать любой цвет, даже белый. Этот момент стал настоящим прорывом и первые светодиоды белого цвета «увидели свет» в 1996 г., что явилось сильнейшим толчком к развитию отрасли.

К 2005 году яркость светодиода достигла значения 100 лм/Вт и продолжает увеличиваться. Были сконструированы так-называемые многоцветные светодиоды, а повышение яркости и надежности всех компонентов светодиодных ламп позволило начать конкуренцию с энергосберегающими (люминесцентными) и лампами накаливания. У нас есть интересная статья на эту тему, где сравниваются разные типы ламп.

С 2008-2009 годов стартовало активное применение светодиодных источников света в бытовых светильниках и чуть позднее с ростом светоотдачи — в уличном освещении. В 2012-2013 годах из-за многократного роста объемов производства их стоимость начала снижаться, что привело к стремительному повышению интереса со стороны потребителей.
 

Яркость светодиода

Яркость светодиода зависит от силы тока (измеряемой в амперах), который через него проходит. Однако, силу тока нельзя увеличивать без ограничений, так как кристалл перегреется и выйдет из строя. Именно по этой причине конструкция светодиодных ламп относительно сложна и дорога в производстве. Но прогресс не стоит на месте и ежегодно ведущие производители светодиодов добиваются роста светового потока своих светодиодов на 20-30%, что с точки зрения скорости прогресса, весьма впечатляющие цифры. Постоянному совершенствованию подвергаются конструкции и материалы элементов светодиодных ламп. 

По силе света светодиоды делятся на три основные группы:
— светодиоды ультравысокой яркости, мощностью от 1W (Ultra-high brightness LEDs) – сотни канделл;
— светодиоды высокой яркости, мощностью до 20 mW (High brightness LEDs) – сотни и тысячи милликанделл;
— светодиоды стандартной яркости (Standard brightness LEDs) – десятки милликанделл.

Яркость свечения светодиодов очень хорошо поддается регулированию или «диммированию» при использовании так называемого метода широтно-импульсной модуляции, для чего необходим специальный управляющий блок, встроенный в лампу. Однако, на сегодняшний день (2013-2014 года) не все продаваемые светодиодные лампы диммируются, что делает их немного дешевле и этот момент надо учитывать при покупке. Именно поэтому, перед приобретением светодиодных ламп мы настоятельно рекомендуем прочитать нашу статью «Как выбрать светодиодную лампу».
 

Основные типы светодиодов

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные.

Индикаторные светодиоды — не яркие, маломощные и оттого дешевые в производстве светодиоды, используемые в качестве световых индикаторов в различных электронных приборах, подсветке дисплеев компьютеров, ЖК-телевизоров, приборных панелей автомобиля и многих других устройств.

Осветительные светодиоды отличаются высокой мощностью и яркостью, что позволяет использовать их в производстве бытовых и промышленных лампах и светильниках.

Исторически из-за небольшой яркости и мощности светодиоды применялись только для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать светодиоды с белым светом, что, как мы писали выше, произошло только в 90-х годах двадцатого века, а также значительно увеличить светоотдачу, чего в свою очередь, удалось добиться только в двухтысячных годах.
 

Долговечность и старение светодиодов

Светодиод механически прочен и надежен — даже при нынешнем развитии технологий, его срок эксплуатации в системе освещения теоретически может достигать ста тысяч часов, что примерно в 100 раз больше среднего срока эксплуатации обычной лампы накаливания и примерно в 10 раз больше, чем у энергосберегающих (люминесцентных) ламп. Однако, срок службы светодиода может быть разным и напрямую зависит от типа светодиода, силы подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (чипа) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки элементов и сборки в целом. Именно поэтому срок службы у осветительных светодиодов короче, чем у маломощных индикаторных. В бытовом смысле, старение светодиода связано в большей степени со снижением его яркости и в меньшей — с изменением цвета видимого излучения. Сам процесс старения начинает быть заметным по истечение нескольких десятков тысяч часов и происходит достаточно медленно, т.е. резкого угасания светодиода не происходит.

Однако, все вышесказанное относится исключительно к качественным продуктам от производителей с именами мировой величины. Проблема в том, что большинство российских светодиодных ламп построено на ультра-дешевых китайских светодиодах и других комплектующих, что сказывается на потребительских свойствах продуктов. Чаще всего это проявляется в том, что указанные на упаковке характеристики мощности, светового потока и срока службы очень сильно завышены. Именно по этой причине мы рекомендуем покупать лампы известных брендов.

Наибольшему старению подвержены как раз белые светодиоды, применяемые в освещении. Как мы уже писали ранее, светодиодов с белым светом пока не изобрели и белый свет получается за счет наложения структуры кристаллов, на которую нанесен люминофор (специальный состав). При этом люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода и срок его службы сокращается. Тем не менее, на сегодняшний день, светодиодные лампы по заявлениям ведущих производителей будут работать без ухудшения своих характеристик от 30 до 50 тысяч часов, что при их непрерывной работе составляет минимум 3,5 года. Если учесть, что по статистике лампа включена не более 3-х часов в сутки, то этот срок увеличивается минимум до 30 лет! Такие цифры впечатляют!
 

Сфера применения светодиодов. Перспективы развития.

Сферу применения светодиодов в качестве источников света можно описать одним словом — повсеместно: в уличном, промышленном, автотранспортном и бытовом освещении. При подготовке этой статьи мы планировали перечислить сферы применения, но начав составления перечня, поняли, что в этом нет смысла, так как придется перечислять все. Потом мы попробовали идти от обратного — где сейчас пока еще не применяют светодиоды в качестве источников света и пришли к выводу, что примеров этому нет. Все крупные Компании переводят освещение своих производственных и офисных помещений на светодиодное. Те, кто пока не делает — планируют это сделать в самое ближайшее время и ждут еще большего снижения цен. Основных причин такого массового перехода две: экономический эффект и безвредность для человека и экологии планеты в целом.

По мнению большинства специалистов отрасли, стоимость светодиодных ламп, как бытовых, так и специальных будет снижаться и весьма сильно. По разным оценкам, от 10 до 20% в год в течение последующих нескольких лет. Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает на 20-30%.

Светодиодная лампа абсолютно безопасна для использования в жилых и рабочих помещениях. В отличие от ламп накаливания и люминесцентных («энергосберегающих») ламп, она не содержит стекло (за редким исключением) и опасные вещества, такие как ртуть и свинец. Лампа не наносит вреда экологии и не требует специальной утилизации. В наше время это особенно важно: экологические требования всех развитых стран постоянно меняются в сторону уменьшения вреда здоровью людей и экосистеме планеты в целом. При этом всячески стимулируется развитие технологий энергосбережения. В подавляющем большинстве стран Евросоюза и в США продажа ламп накаливания уже запрещена, а продажи люминесцентных ламп стремительно снижаются. На этом фоне «светлое» будущее систем освещения на основе светодиодов видится весьма отчетливо. 

Лампы накаливания и галогенные лампы уходят в прошлое. Объемы производства падают в разы год от года. Люминесцентные (энергосберегающие) лампы также по всем параметрам проигрывают светодиодным и их объем производства также снижается. Причины победного шествия светодиодных технологий настолько очевидны, что не возникает ни малейшего сомнения, что другие типы ламп скоро просто вымрут или останутся в узких сегментах рынка.

    

 

Светодиод Википедия

Светодиодная лампа

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт о СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Принцип работы

При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой^[1]).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), 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. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом^[en] из Маркони Лабс^[en]. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов^[2]. Теоретического объяснения явлению тогда не было. 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. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.)^[3]

В 1961 году Джеймс Роберт Байард (англ.)русск. и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли технологию инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия (GaAs). После получения патента в 1962 году началось их промышленное производство.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд (англ.)русск., изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод^[4][5]. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алфёрова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных и светодиодов^[6][7]. После этого началось серийное промышленное производство светодиодов. Открытие было удостоено Нобелевской премий в 2000 году^[8]. В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED^[9].

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода (LED). За открытие дешевого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике^[10][11]. В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск, а в 1996 начала выпуск белых светодиодов^[12].

Синий светодиод, в сочетании с зелёным и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Характеристики

Обозначение светодиода в электрических схемах

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод проводит ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Светодиоды в электрической схеме

Светодиод работает при пропускании через него тока в прямом направлении (то есть анод должен иметь положительный потенциал относительно катода).

Из-за круто возрастающей вольт-амперной характеристики p-n-перехода в прямом направлении светодиод должен подключаться к источнику тока. Подключение к источнику напряжения должно производиться через элемент (или электрическую цепь), ограничивающий ток, например, через резистор. Некоторые светодиоды могут иметь встроенную токоограничивающую цепь, в таком случае для них указывается диапазон допустимых напряжений источника питания.

Непосредственное подключение светодиода к источнику напряжения, превышающего заявленное изготовителем падение напряжения для конкретного светодиода, может вызвать протекание через него тока, превышающего предельно допустимый, перегрев и мгновенный выход из строя. В простейшем случае (для маломощных индикаторных светодиодов) токоограничивающая цепь представляет собой резистор, последовательно включенный со светодиодом. Для мощных светодиодов применяются схемы с ШИМ, которые поддерживают средний ток через светодиод на заданном уровне и, при необходимости, позволяют регулировать его яркость.

Недопустимо подавать на светодиоды напряжение обратной полярности от источника с малым внутренним сопротивлением. Светодиоды имеют невысокое (несколько вольт) обратное пробивное напряжение. В схемах, где возможно появление обратного напряжения, светодиод должен быть защищён параллельно включенным обычным диодом в противоположной полярности.

Цвета и материалы

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде и материал:

	Цвет	длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
	Инфракрасный	λ > 760	ΔU < 1,9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
	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[15] < ΔU < 4,0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
	Синий	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 нм)[16] Нитрид бора (215 нм)[17][18] Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)[19] Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)[20]
	Белый	Широкий спектр	ΔU ≈ 3,5	Сочетание трех светодиодов основных цветов (красный, синий, зеленый), либо люминофор, излучающий белый цвет под воздействием светодиода со спектром от синего до ультрафиолетового;

Несмотря на то, что в мире широко выпускаются белые светодиоды в конструктиве синего/фиолетового свечения кристалла с нанесенным на него желтым или оранжевым люминофором, ничто не мешает нанести и люминофоры другого цвета свечения. В результате нанесения красного люминофора получают пурпурные или розовые светодиоды, гораздо реже выпускают светодиоды салатового цвета, где на синий кристалл наносится люминофор зеленого цвета свечения.

Светодиоды также могут иметь цветной корпус.

В 2001 году Citizen Electronics первой в мире произвела цветной SMD светодиод из цветной пастели под названием PASTELITE^[21].

Преимущества

По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами^[22] и металлогалогенными лампами, достигнув 146 люмен на ватт^[23].
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы (при достаточном охлаждении) — от 30 000 до 100 000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе происходит «деградация» кристалла и постепенное падение яркости.
• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
• Спектр современных белых светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
• Спектральная чистота, достигаемая не фильтрами, а принципом устройства прибора.
• Отсутствие инерционности — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-люминофорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3—10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения, при должном охлаждении низкая температура светодиода, обычно не выше 60 °C.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов

• Комнатное освещение

• В автомобильных фарах

• Декоративное применение

• Подсветка линейкой светодиодов в IPod Touch 2G

На светодиодном экране показывают Tour de France 2010, Paris

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента).
• В качестве индикаторов — как 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, информационных табло. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами.
• В оптопарах.
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях, прожекторах, светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях.
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет^[24]).
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры, планшеты и т. д.).
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
• В растениеводстве, так называемые фитолампы, оптимизированные под фотосинтез. В северных странах перспективная замена освещения в теплицах.

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, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, 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, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, для создания приборов ночного видения.

Производство

По размеру выручки лидером является японская «Nichia Corporation»^[25].

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение «Lumileds Lighting», а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании «Nichia Corporation», где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: «Cree», «Emcore Corp.», «Veeco Instruments», «Seoul Semiconductor» и «Germany’s Aixtron», занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Яркие светодиоды на подложках из карбида кремния производит американская компания «Cree».

Крупнейшими^[26] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод «Samsung Electronics» в Калужской области.

См. также

Примечания

1. ↑ Принцип работы светодиода (рус.). ledflux.ru. Дата обращения 15 марта 2018.
2. ↑ ФИЗИК ЛОСЕВ Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
3. ↑ О. В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов
4. ↑ Light Emitting Diode
5. ↑ Milestones on Development of LED (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 9 октября 2014. Архивировано 14 октября 2014 года.
6. ↑ Самсонов А. Жорес Алфёров: флагман отечественной электроники (рус.) // Экология и жизнь : журнал. — 2010. — № 5.
7. ↑ Полупроводниковые гетероструктуры: от классических к низкоразмерным, или «конструктор» от Нобелевского лауреата (рус.). МФТИ. Дата обращения 21 марта 2019.
8. ↑ The Nobel Prize in Physics 2000 (рус.). The Nobel Prize. Дата обращения 21 марта 2019.
9. ↑ History | CITIZEN ELECTRONICS CO.,LTD. (неопр.). ce.citizen.co.jp. Дата обращения 1 июня 2019.
10. ↑ Нобелевская премия по физике присуждена за LED (рус.). BBC Russian (7 октября 2014). Дата обращения 21 марта 2019.
11. ↑ Нобелевская премия по физике присуждена за изобретение эффективных синих светодиодов (рус.). ТАСС (7 октября 2014). Дата обращения 21 марта 2019.
12. ↑ Nichia/История (рус.). Nichia. Дата обращения 16 июня 2019.
13. ↑ COB светодиоды и лампы на их основе // ledjournal.info.
14. ↑ Мал CSP-светодиод, да дешев // 19.03.2016 г. А. Васильев. elec.ru.
15. ↑ OSRAM: green LED (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 17 января 2011. Архивировано 21 июля 2011 года.
16. ↑ Koizumi, S.; Watanabe, K; Hasegawa, M; Kanda, H. Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction (англ.) // Science. — 2001. — Vol. 292, no. 5523. — P. 1899. — DOI:10.1126/science.1060258. — PMID 11397942.
17. ↑ Kubota, Y.; Watanabe, K.; Tsuda, O.; Taniguchi, T. Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure (англ.) // Science : journal. — 2007. — Vol. 317, no. 5840. — P. 932. — DOI:10.1126/science.1144216. — PMID 17702939.
18. ↑ Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Kanda, Hisao. Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal (англ.) // Nature Materials : journal. — 2004. — Vol. 3, no. 6. — P. 404. — DOI:10.1038/nmat1134. — PMID 15156198.
19. ↑ Taniyasu, Yoshitaka; Kasu, Makoto; Makimoto, Toshiki. An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres (англ.) // Nature : journal. — 2006. — Vol. 441, no. 7091. — P. 325. — DOI:10.1038/nature04760. — PMID 16710416.
20. ↑ LEDs move into the ultraviolet, physicsworld.com (17 мая 2006). Дата обращения 13 августа 2007.
21. ↑ Pastel Color Chip LED (неопр.).
22. ↑ Натриевая лампа — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
23. ↑ [http://ce.citizen.co.jp/up_img/news/W2JUhsNaM3Ji/20151026_e.pdf Expansion of the product lineup of LEDs for lighting ‘COB Series’: Development of “LEDs that have achieved the world’s highest-class luminous flux of more than 70,000 lm”] (неопр.).
24. ↑ Китайские ученые построили беспроводную сеть на светодиодах (неопр.). Lenta.ru (18 мая 2010). Дата обращения 14 августа 2010.
25. ↑ 3Q13 Global LED Market Share Leaders Архивная копия от 11 октября 2014 на Wayback Machine, Steve Sechrist, 11/19/2013
26. ↑ В Петербурге запустили завод светодиодов

Ссылки