Світлодіод – це тип напівпровідника, який називається «світловипромінювальний діод». Білі світлодіоди, які отримали практичну реалізацію завдяки використанню синіх світлодіодів високої яскравості, розроблених в 1993 році на основі нітриду галію, привертають підвищену увагу як 4-й тип джерела світла.
- Як світлодіод випромінює світло
- Колір світлодіодів
- Принцип роботи діода
- Типи світлодіодів
- Позначення на схемах
Як світлодіод випромінює світло?
Світлодіод (світловипромінюючі діоди) – це напівпровідникове джерело світла, в якому об’єднують напівпровідник P-типу (велика концентрація дірок) з напівпровідником N-типу (велика концентрація електронів). Подача достатньої кількості прямої напруги змусить електрони і дірки рекомбінувати в PN-переході, випромінювати енергію у вигляді світла. У порівнянні зі звичайними джерелами світла, які спочатку перетворять електричну енергію в тепло, а потім в світло, світлодіод (Light Emitting Diodes) перетворює електричну енергію безпосередньо в світло, забезпечуючи ефективне генерування світла з невеликими втратами електроенергії.
На ват світлодіод випромінює більше люменів (або кількості видимого світла), ніж звичайні лампи розжарювання. Світлодіоди мають більш високу, ніж лампи розжарювання – лампа розжарювання потужністю 60 Вт може генерувати від 750 до 900 люмен.
У разі світлодіодів, матеріалом провідника зазвичай є арсенід алюмінію-галію (AlGaAs). У чистому арсеніді алюмінію-галію всі атоми ідеально пов’язані зі своїми сусідами, не залишаючи вільних електронів (негативно заряджених частинок) для проведення електричного струму. У легованому матеріалі додаткові атоми змінюють баланс, або додаючи вільні електрони, або створюючи дірки, через які електрони можуть проходити. Будь-яке з цих змін робить матеріал більшим провідником.
Напівпровідник з додатковими електронами називається матеріалом N-типу, оскільки в ньому є додаткові негативно заряджені частинки. У матеріалі N-типу вільні електрони переміщаються з негативно зарядженої області в позитивно заряджену.
Напівпровідник з додатковими дірками називається матеріалом P-типу, оскільки він фактично містить додаткові позитивно заряджені частинки. Електрони можуть переходити від отвору до отвору, переміщаючись з негативно зарядженої області в позитивно заряджену. В результаті здається, що самі отвори переміщаються з позитивно зарядженої області в негативно заряджену.
Не кожен діод буде випромінювати світло. Для цього необхідно виконати необхідні умови.
Умови пропускання світла p-n переходом:
- блізкість ширини забороненої зони до енергії кванта світла;
- мінімальна кількість дефектів в напівпровідниковому кристалі.
Для реалізації цих вимог одного p-n переходу недостатньо. Потрібно створювати багатошарові структури – гетероструктури, що складаються з декількох напівпровідників.
Колір світлодіодів
Для отримання світлодіода того чи іншого кольору використовується три технології – покриття люмінофором, використання RGB світлодіодів і застосування різних напівпровідникових матеріалів.
Робота світлодіода безпосередньо залежить від матеріалу, з якого він виконаний. Використання напівпровідників з різною шириною забороненої зони можна домогтися потрібного світла від діода. Від ширини забороненої зони залежить довжина хвилі. Для отримання приладів в інфрачервоному і червоному колірному спектрі використовуються тверді розчини на основі арсеніду галію. Помаранчеві, жовті й зелені кольори виходять за допомогою фосфіду галію. Сині, фіолетові і ультрафіолетові виготовляються на основі нітриду галію.
Принцип роботи діода
Діод складається з секції матеріалу N-типу, прикріпленою до секції матеріалу P-типу, з електродами на кожному кінці. Це пристрій проводить електрику тільки в одному напрямку. Коли на діод не подається напруга, електрони з матеріалу N-типу заповнюють отвори в матеріалі P-типу вздовж стику між шарами, утворюючи зону виснаження. У зоні виснаження напівпровідниковий матеріал повертається в свій початковий ізолюючий стан – всі отвори заповнені, тому немає вільних електронів або порожніх просторів для електронів, і струм не буде протікати.
Пряме включення діода
Щоб позбутися зони виснаження, ви повинні змусити електрони переміщатися з області N-типу в область P-типу, а дірки – в зворотному напрямку. Для цього ви підключаєте сторону N-типу діода до негативного кінця ланцюга, а сторону P-типу – до позитивного кінця. Вільні електрони в матеріалі N-типу відштовхуються від негативного електрода і притягуються до позитивного електрода. Дірки в матеріалі P-типу переміщаються в іншу сторону. Коли різниця напруги між електродами досить висока, електрони в зоні виснаження виштовхуються зі своїх дірок і знову починають вільно переміщатися. Зона виснаження зникає, і заряд переміщається по діоду.
Зворотне включення діода
Якщо ви спробуєте пропустити струм іншим способом, коли сторона P-типу підключена до негативного кінця ланцюга, а сторона N-типу підключена до позитивного кінця, струм не буде проходити. Негативні електрони в матеріалі N-типу притягуються до позитивного електрода. Позитивні дірки в матеріалі P-типу притягуються до негативного електроду. Через перехід не протікає струм, тому що дірки і електрони рухаються в неправильному напрямку. Зона виснаження збільшується.
Світлодіоди бувають: індикаторні та освітлювальні.
- Індикаторні використовуються в основному з для колірної індикації, а також при підсвічуванні дисплеїв, приладових панелей і інших приладів. Іншими словами це світлодіоди невеликої потужності (до 0.2 Вт) з помірною яскравістю.
- Освітлювальні LED використовуються при освітленні приміщень в складі світлодіодних ламп і стрічок, в автомобільних фарах і всюди, де треба отримати високу потужність світіння. Потужність таких світлодіодів може досягати десятків ват.
Типи світлодіодів
Класифікація світлодіодів. Можна визначити самий широкий спектр підстав для їх віднесення до тих чи інших категорій. Поширений в середовищі експертів підхід передбачає виділення наступних основних типів світлодіодів: DIP; SMD;COB; Filament.
- DIP (Direct In-line Package) – добре відомий ще з ХХ століття тип світлодіодів. Вони представляють з себе колбочки із сткла або прозорого пластика (вони виконують роль лінзи, фокусуючи потік світла в строго визначеному напрямі), всередині яких знаходиться напівпровідниковий кристал (зелений, червоний або синій). Кристалл розміщується на катодах. З анодом він з’єднаний тонким анодним проводом. Катодні та анодні контакти виходять за лінзу, утворюючи металеві ніжки. Ці «ніжки» вставляються в спеціально підготовлений отвір в печатній платі та припаюються. Простір між печатною платою і світлодіодами закладається герметизуючим матеріалом, захищаючи контакти від попадання вологи.
- SMD (в пер. З англ.) – це пристрій поверхневого монтажу. Інші слова smd світлодіоди представляють собою пристрій, виконаний в невеликому корпусі з вмонтованим світло випромінюючим кристалом, який поверхнево монтується на друкованій платі. Світлодіод SMD має корпус із термостійкого пластика з певними розмірами. У цій пластиковій оболонці встановлений кристал, який об’єднав тонкими нітями до контактних площ. Лінза smd світлодіода виконана з полікарбоната. Відвід тепла виконується за допомогою контактних площадок, а в деяких світлодіодах присутня додаткова площадка для виведення теплових мас. Такі світлодіоди найчастіше зазвичай використовують в світлодіодних прожекторах, світильниках та інших освітлювальних приладах.
- COB мають декілька діодів на одній поверхні. У чіпів COB більше діодів на одиницю площі і вони покриті загальним шаром люмінофора. Чіпи COB зазвичай мають 9 або більше діодів. Мікросхеми COB мають лише один електричний ланцюг і 2 контакти, незалежно від кількості діодів. Саме завдяки такій будові електричного кола, чіп COB виглядає як єдина світлодіодна панель.
- Filament, виробляється за технологією Chip-on-Glass (COG), високотехнологічний метод монтажу, який використовує Gold Bump, або схеми з перевернутим кристалом і застосовується в більшості компактних дисплеїв. Він складається з підкладки, виконаної зі скла або штучного сапфіра, на которий закріплені світлодіоди з послідовним з’єднанням. Зверху філамент покритий люмінофором.
Позначення світлодіодів на схемі
На вітчизняних схемах буквами HL (HL1, HL2 і т.д.) – це по ГОСТ. У зарубіжних стандартах позначення світлодіода на схемі аналогічне але підписується він уже – LED (LED1, LED2 і т.д. ). Стрілки від діода означають випромінювання світла, а якщо стрілки навпаки зничить сприйняття світла і це вже фотодіод.
Анод – це позитивний полюс. Катод – негативний.
