принцип действия, схемы, примеры и т.д.

Светодиод — диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.

Светодиод

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип работы светодиода

Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.

Схема светодиода

Светодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.

Где используются светодиоды

Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.

Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.

Схема типичной цепи с сигнальной лампочкой

Когда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.

Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.

С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.

Цифровой дисплей на калькуляторе из семи элементов

Каждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.

Схема внешней цепи управления для цифрового дисплея калькулятора

Цифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.

Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.

Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.

P-N переход точка в полупроводниковом приборе, где катод анод соприкасаются

Туннельный диод диод, характеристики которого отличаются от характеристик обычного диода

Триод электронная лампа с тремя элементами: катод, анод и управляющая сетка

Тетрод диод с четырьмя элементами: катод, анод, управляющая сетка и сетка-экран

Стабилитрон специальный диод, способный работать в условиях обратного смещения

как работает лампа, технические характеристики и история ее создания

Светодиод представляет собой двухпроводный полупроводниковый источник света. Когда подходящий ток подается на выводы, электроны способны рекомбинировать с электронными дырами внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света определяется зазором энергетической зоны полупроводника.

• Что такое светодиод
• Светодиодная лампа
• История создания первых ламп
  • Вклад японских ученых
• Принцип работы устройства
  • Принцип образования световой волны
  • Квантовая теория
• Преимущества и недостатки

Что такое светодиод

Светоизлучающий диод является оптоэлектронным устройством, способным излучать свет, когда через него проходит электрический ток. Светоизлучающий диод только пропускает электрический ток в одном направлении и производит некогерентное монохроматическое или полихроматическое излучение от преобразования электрической энергии.

Он имеет несколько производных:

• OLED.
• AMOLED.
• FOLED.

Из-за световой эффективности светодиоды на современном этапе представляют собой 75% рынка внутреннего и автомобильного освещения. Они используются при строительстве телевизоров с плоским экраном, а именно: для подсветки ЖК-экранов или источника электроэнергии. Используются в качестве основного освещения в OLED-телевизорах.

Первые светодиоды, поступившие в продажу, производили инфракрасный, красный, зеленый, а затем желтый свет. Выход синего светодиода, связанный с техническим и монтажным прогрессом, позволяет покрыть диапазон длины волны излучения, простирающийся от ультрафиолетового (350 нм) до инфракрасного (2 тыс. нм), который отвечает многим потребностям. Многие устройства оснащены составными светодиодами (три в одном компоненте: красный, зеленый и синий) для отображения многих цветов.

Светодиодная лампа

Светодиодные лампы — это светотехнические изделия для бытового, промышленного и уличного освещения, в которых источником света являются светодиоды.

По сути это набор светодиодов и схемы питания для преобразования сетевой энергии на постоянный ток низкого напряжения.

Светодиодный светильник представляет собой отдельное и самостоятельное устройство. Его корпус чаще всего индивидуален по конструкции и специально спроектирован под различные источники освещения. Большое количество ламп и их малый размер позволяют расположить их в разных местах, собирать панели, использовать для подсветки дисплеев, телевизоров .

Освещение общего назначения требует белого света. Принцип работы светодиодной лампы основан на излучении света в очень узком диапазоне длин волн: то есть, с цветовой характеристикой энергии полупроводникового материала, который используется для изготовления светодиодов. Для излучения белого света от светодиодной лампы надо смешивать излучения от красного, зеленого и синего светодиодов или использовать люминофор для преобразования частей света в другие цвета.

Один из методов — RGB (red, green, Blue), это использование нескольких светодиодных матриц, каждая из которых излучает различную длину волн, в непосредственной близости, для создания общего белого цвета.

История создания первых ламп

Первое излучение света полупроводником датируется 1907 годом и было открыто Генри Джозефом Раундом. В 1927 году Олег Владимирович Лосев подал первый патент на то, что впоследствии будет называться светоизлучающим диодом.

В 1955 году Рубин Браунштейн обнаружил инфракрасное излучение арсенида галлия — полупроводник, который позже будет использоваться Ником Холоньяком-младшим и С. Беваккой для создания первого красного светодиода в 1962 году. В течение нескольких лет исследователи ограничились некоторыми цветами, такими как красный (1962), желтый, зеленый и более поздний синий (1972).

Вклад японских ученых

В 1990-х годах исследования Shuji Nakamura и Takashi Mukai of Nichia в полупроводниковой технологии InGaN позволили создать синие светодиоды высокой яркости, а затем адаптироваться к белым, добавив желтый люминофор. Это продвижение позволило использовать новые крупные приложения, такие как освещение и подсветка телевизионных экранов и ЖК-экранов. 7 октября 2014 года Шудзи Накамура, Исаму Акасаки и Хироши Амано получили Нобелевскую премию по физике за работу над голубыми светодиодами.

Принцип работы устройства

Когда диод смещен вперед, электроны быстро движутся через соединение. Они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре, после того как электроны начинают движение от n-типа к кремнию p-типа, диод соединяется с отверстиями, а затем исчезает. Следовательно, он делает полный атом более стабильным и дает небольшой импульс энергии в виде фотона света.

Принцип образования световой волны

Чтобы разобраться как устроен светодиод, необходимо узнать о его материалах и их свойствах. Светодиод представляет собой специализированную форму PN-перехода, которая использует составное соединение. Составным должен быть полупроводниковый материал, используемый для соединения. Обычно используемые материалы, включая кремний и германий, являются простыми элементами, и соединение, изготовленное из этих материалов, не излучает свет. Что же касается таких полупроводников, как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия — они являются составными, и соединения из этих материалов излучают свет.

Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Арсенид галлия имеет валентность трех, а мышьяк — валентность пяти. Это и называют полупроводником группы III-V. Существует ряд других полупроводников, которые соответствуют обозначенной категории. Есть полупроводники, которые образуются из материалов группы III-V.

Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия.

Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. Конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область располагается как можно ближе к поверхности устройства для поглощения конструкцией минимального количества света.

Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение следует оптимизировать, а материалы должны быть правильными. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии алюминий добавляется к полупроводнику в видимый красный спектр с последующим получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Можно добавить и фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются иные материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция используется для получения желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.

Квантовая теория

Поток тока в полупроводниках обусловлен обоими потоками свободных электронов в противоположном направлении.

Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.

Рекомбинация показывает, что электроны в зоне проводимости спускаются к валентной зоне. Когда они перескакивают из одной полосы в другую, то излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотона равна запрещенной энергетической щели.

Отображено математическое уравнение:

Eq = hf

H известна как постоянная Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света. Частотное излучение связано со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, а уравнение станет таким:

Eq = he / λ

Исходя из этого уравнения можно понять, как работает светодиод, основываясь на том, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна запрещенной щели. В целом полное излучение электромагнитной волны при рекомбинации имеет вид инфракрасного излучения. Невозможно увидеть длину волны инфракрасного излучения, потому что она находится вне видимого диапазона.

Инфракрасное излучение называется теплотой, потому что кремний и германиевые полупроводники не являются прямыми щелевыми полупроводниками, а относятся к непрямым промежуточным разновидностям. Но в полупроводниках с прямым зазором максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не происходит одномоментно с электронами. Поэтому во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, и импульс электронной зоны будет изменен.

Преимущества и недостатки

Как и любое устройство светодиод также имеет ряд своих особенностей, основные преимущества и недостатки.

Главные преимущества выглядят так:

• Небольшие размеры: например, можно изготавливать светодиоды размером с пиксель (что открывает возможность использования диодов для создания экранов с высоким разрешением).
• Простота сборки на печатной плате, традиционная или CMS (компонент с поверхностным монтажом).
• Потребление электрической энергии ниже, чем у лампы накаливания, и того же порядка величины, что и люминесцентные лампы.
• Отличная механическая устойчивость.
• Собирая несколько светодиодов, можно добиться хорошего освещения с помощью инновационных форм.
• Продолжительность жизни (приблизительно от 20 000 до 50 000 часов), что намного дольше, чем обычная лампа накаливания (1 тыс. часов) или галогенная лампа (2 тыс. часов). Тот же порядок величины, что и у люминесцентных ламп (от 5 тыс. до 70 000 часов).
• Очень низкое напряжение, гарантия безопасности и легкость транспортировки. Для отдыхающих есть светодиодные фонарики, питаемые простым ручным динамомедленным движением («кривошипная лампа»).
• Световая инерция почти нулевая. Диоды включаются и выключаются за очень короткое время, что позволяет использовать при передаче сигналов ближнего (оптопары) или дальнего (оптического волокна) сигналов. Они сразу достигают своей номинальной силы света.
• Благодаря своей мощности классические 5-миллиметровые светодиоды едва нагреваются и не могут обжечь пальцы.
• Светодиоды RGB (красный-зеленый-синий) позволяют использовать цветные улучшения с неограниченными возможностями вариаций.

Из недостатков можно отметить такие:

• Светодиоды, как и любой электронный компонент, имеют максимальные пределы рабочей температуры, а также некоторые пассивные компоненты, составляющие их схему питания (например, химические конденсаторы, которые нагреваются в зависимости от среднеквадратичного тока). Теплоотдача компонентов светодиодных лампочек является фактором, ограничивающим увеличение их мощности, особенно в многочиповых сборках.
• По словам производителя Philips, световая эффективность некоторых светодиодов быстро падает. Температура ускоряет падение световой эффективности. Philips также указывает, что цвет может меняться на некоторых белых светодиодах и светится зеленым, когда они становятся старше.
• Процесс изготовления светодиода очень энергозатратный. Зная основные характеристики светодиодов, их преимущества и недостатки, можно сделать выбор — либо приобрести их, либо отказаться от покупки и пользоваться обыкновенными лампами накаливания. Однако учитывая экономичность такого освещения, стоит задуматься над тем, что оно может стать хорошей альтернативой привычным, более дешевым источникам света.

Как работает светодиод на молекулярном уровне?

Опубликовано 19 сентября 2019 г.

Вы когда-нибудь задавались вопросом, как это маленькое электронное устройство, светодиод, излучает свет? По сравнению с гораздо менее эффективной лампой накаливания, которая производит свет путем преобразования электрической энергии в тепловую, светодиоды напрямую преобразуют электрическую энергию в энергию света. За последние несколько лет использование светодиодов увеличилось в геометрической прогрессии. Это связано с тем, что светодиоды эффективны, легко диммируются, нетоксичны и гораздо более долговечны по сравнению с другими источниками света. Но что такое светодиод и как он на самом деле работает? В этом уроке мы собираемся ответить на эти вопросы.

Что такое светодиод?

Светодиод или светоизлучающий диод — это тип диода, который специально разработан для излучения света. Он работает так же, как обычный или выпрямительный диод. Но что заставляет его излучать свет, так это полупроводниковый материал, используемый в нем. Конструкция светодиода такая же, как у обычного диода с p-n переходом. Однако вместо кремния или германия светодиоды изготавливаются из составных полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия, фосфид галлия и других полупроводниковых материалов, излучающих свет. Кремний наиболее широко используется в обычных диодах, поскольку он менее чувствителен к температуре. Однако они не выделяют энергию в виде света, а выделяют энергию в виде тепла, поэтому они не используются в светодиодах.

Как работает светодиод?

Итак, светодиод — это диод, поэтому, как и обычный диод, он может быть смещен в прямом или обратном направлении. Однако светодиод излучает свет только тогда, когда он находится в состоянии прямого смещения. Так что пока давайте просто сосредоточимся на прямом смещении светодиода. Чтобы сместить светодиод в прямом направлении, в основном вы просто подключаете его катодную клемму к отрицательной стороне внешнего напряжения смещения, а его анодную клемму — к положительной стороне внешнего напряжения смещения.

Когда светодиод смещен в прямом направлении, свободные электроны из n-области получают достаточно энергии, чтобы пересечь переход и рекомбинировать с дырками в p-области. Первоначально свободные электроны из n-области находятся в зоне проводимости, но когда они переходят в p-область, они выделяют энергию и попадают в дырку в валентной зоне. Для обычного кремниевого диода выделяемая энергия будет в виде тепла. Но для полупроводниковых материалов, используемых в светодиодах, энергия, высвобождаемая при рекомбинации свободных электронов с дырками, имеет форму света.

С точки зрения энергетической диаграммы видно, что прямое смещение светодиода сужает обедненную область и позволяет свободным электронам пересекать переход. Когда свободные электроны пересекают соединение и рекомбинируют с дырками, электроны высвобождают энергию в виде света.

Вот и все! По сути, то, что происходит внутри светодиода, когда он смещен в прямом направлении, очень похоже на обычный диод, за исключением того, что электроны выделяют свет, а не тепло, когда они меняют энергетические уровни.

Обратное смещение

Нам не нужно обсуждать обратное смещение, за исключением того, что оно действует как диод при обратном смещении, и если вы превысите установленные параметры, вы разрушите светодиод.

Цвет светодиода

Одной из первых характеристик светодиода, которую мы учитываем при использовании светодиода, конечно же, является его цвет. Иногда мы используем зеленые светодиоды, чтобы указать, что цепь находится в хорошем состоянии, или красные светодиоды, чтобы указать на наличие проблемы. Светодиоды могут быть красными, оранжевыми, желтыми, зелеными, синими, белыми или фиолетовыми, а цвет светодиода определяется используемым в нем полупроводниковым материалом.

Фотоны имеют разные длины волн в зависимости от их энергии или энергии в зависимости от их длин волн, в зависимости от того, как вы на это смотрите. Чтобы получить разные цвета, ученые и инженеры выяснили, сколько энергии должен потерять электрон, переходя из одного материала в другой, чтобы он излучал фотон с правильной длиной волны для желаемого цвета. Мы составили краткую таблицу, в которой показаны цвета, связанные с ними длины волн и материал, используемый в настоящее время для создания этого цвета. Если вам нужно больше времени для ознакомления с этой таблицей, она находится под ссылками на CircuitBread.com

Конструкция светодиода

Используя 5-миллиметровый светодиод, вы можете увидеть, как эта комбинация на полупроводниковом уровне на самом деле реализуется во что-то полезное. Если вы попытаетесь посмотреть, что находится внутри 5-мм светодиода, вы увидите, что выводная рамка, соединенная с выводом катода, также известная как наковальня, удерживает полупроводниковый материал. Отражающая чаша, соединенная с наковальней, фактически удерживает полупроводниковый материал. Область n расположена внизу, поэтому она подключена к катодной клемме, а область p находится вверху. Тогда есть только провод, который соединяет его с выводной рамкой стойки, которая подключена к клемме анода. Одна из причин такой конструкции заключается в том, что большая часть света, излучаемого светодиодом, исходит из области перехода, расположенной ближе к p-области. Таким образом, эта область находится как можно ближе к поверхности устройства.

Вот и все! Я надеюсь, что это руководство поможет вам понять, как работает светодиод. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в комментариях ниже, и если вы нашли это интересным или полезным, поставьте лайк и подпишитесь на нашу рассылку новостей или канал YouTube!

• Светодиод (14)
• Полупроводник (19)

Автор:

JB Magoncia

JB — инженер-электронщик, который интересуется звуком, встроенными системами и проектированием печатных плат. Он является одним из инженеров CircuitBread. JB также является музыкантом, который в основном играет на фортепиано/клавишных, но также может играть на басу, гитаре и барабанах. В настоящее время он живет в Кагаян-де-Оро, Филиппины.

Часто задаваемые вопросы по EE

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Как работает светодиод » Electronics Notes

Используемые полупроводниковые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.

---

Учебное пособие по светоизлучающим диодам Включает:
Светодиод Как работает светодиод Как делают светодиод Технические характеристики светодиодов срок службы светодиода светодиодные пакеты Светодиоды высокой мощности/яркости Технология светодиодного освещения Органические светодиоды, OLED

Другие диоды: Типы диодов

---

Светодиодная технология считается само собой разумеющейся, поскольку светодиоды широко используются. Однако технология и используемые материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.

Хотя базовый PN-переход использовался уже много лет, только в 1962 году был разработан светодиод, и его действие стало понятным.

Светодиод, символ цепи светодиода

Светодиодная технология: как работает светодиод

Светодиод представляет собой специальную форму PN-перехода, в которой используется составной переход. Полупроводниковый материал, используемый для перехода, должен быть составным полупроводником. Обычно используемые полупроводниковые материалы, включая кремний и германий, представляют собой простые элементы, и переходы, изготовленные из этих материалов, не излучают свет. Вместо этого составные полупроводники, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, являются составными полупроводниками, и соединения, сделанные из этих материалов, действительно излучают свет.

Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые они занимают. Для арсенида галлия галлий имеет валентность три, а мышьяк — валентность пять, и это то, что называется полупроводником группы III-V, и есть ряд других полупроводников, которые соответствуют этой категории. Также возможны полупроводники, изготовленные из материалов группы III-V.

Как работает светоизлучающий диод

Светодиод излучает свет, когда он смещен в прямом направлении. Когда к переходу прикладывается напряжение, чтобы сделать его смещенным в прямом направлении, ток течет, как и в случае любого PN-перехода. Дырки из области p-типа и электроны из области n-типа входят в переход и рекомбинируют, как обычный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, высвобождается энергия, часть которой находится в виде световых фотонов.

Обнаружено, что большая часть света производится из области перехода ближе к области Р-типа. В результате конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область находится как можно ближе к поверхности устройства, чтобы обеспечить поглощение структурой минимального количества света.