Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

noimage.jpg

Как работает светоизлучающий диод (Light-emitting diode)

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)
Данное полупроводниковое устройство с электронно-дырочным переходом. Творящее оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в нешироком спектре диапазона. LED диоды незаменимые герои в мире электроники. В принципе, светодиоды просто крошечные лампочки, которые легко вмещаются в электрической цепи. Но в отличие от обычных ламп накаливания, они не имеют нити, которая выгорает. В светодиоде светится так-называемый p-n переход кристалла. Данное место где 1 вид сплава (-p) соединяется с иным типом (-n).  Задача – отыскать комибнацию проводников, чтоб из данной зоны с минимальными утратами выходило по возможности больше света.  Излучается свет — выделяется небольшое кол-во тепла. И у всякого светодиода температура чипа растёт с его мощностью. Обычная рабочая температура созданных на данный момент светодиодов от 50°С до 120°С, а с учетом развития технологий в ближайшее время имеет возможность подняться до 200°С.
В случае если мощные светодиоды объединены в одну цепь, да к тому же установлены в непроницаемый корпус, то нагрев будет солидным. И если не случается отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, меняются свойства кристалла, и через пару месяцев светодиод может перегореть.

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

 

Как работает светоизлучающий диод (Light-emitting diode)

Данное полупроводниковое устройство с электронно-дырочным переходом. Творящее оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в нешироком спектре диапазона. LED диоды незаменимые герои в мире электроники. В принципе, светодиоды просто крошечные лампочки, которые легко вмещаются в электрической цепи. Но в отличие от обычных ламп накаливания, они не имеют нити, которая выгорает. В светодиоде светится так-называемый p-n переход кристалла. Данное место где 1 вид сплава (-p) соединяется с иным типом (-n).  Задача – отыскать комибнацию проводников, чтоб из данной зоны с минимальными утратами выходило по возможности больше света.  Излучается свет — выделяется небольшое кол-во тепла. И у всякого светодиода температура чипа растёт с его мощностью. Обычная рабочая температура созданных на данный момент светодиодов от 50°С до 120°С, а с учетом развития технологий в ближайшее время имеет возможность подняться до 200°С.
В случае если мощные светодиоды объединены в одну цепь, да к тому же установлены в непроницаемый корпус, то нагрев будет солидным. И если не случается отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, меняются свойства кристалла, и через пару месяцев светодиод может перегореть.

Что такое диод?

Диод это самый простой вид полупроводниковых устройств. Проще говоря, это полупроводниковый материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников сделаны из плохого проводника (poor conductor), который имеет примеси (атомы другого материала) добавленные к нему. Процесс добавления примесей называют допингом.

Материал светодиода в основном (AlGaAs).
AlGaAs применяют в промежуточных слоях порлупроводниковых гетероструктур и служит для вытеснения электронов в слой чистого арсенида галлия. Пример подобных полупроводниковых приборов — фотодатчики, использующие эффект квантовой ямы.
Также AlGaAs может быть использован для создания полупроводниковых лазеров ближнего IK-диапазона с длиной волны излучения 1,064 мкм.

 

Полупроводники обладают той особенностью, что электропроводность в них может быть обусловлена как подвижными электронами, так и дырками. Если концентрация электронов в полупроводнике значительно больше концентрации дырок, то мы говорим, что полупроводник имеет электронную проводимость, или проводимость n – типа (от negative – отрицательный). Если же значительно преобладают положительные дырки, то электропроводность называется дырочной, или p – типа (от positiv – положительный). Носители заряда, представлены в большинстве (электроны в полупроводнике n – типа и дырки в полупроводнике p – типа), получили название основных носителей заряда, а представленные в меньшинстве – неосновных. Если же концентрация электронов и дырок сравнимы между собой, то мы имеем смешанную проводимость.

 

Что касается односторонней проводимости диода

При приложении поля из p в n дырки из p дрейфуют в сторону n, а электроны — из n в сторону p, т.е. навстречу друг другу. Столкнувшись, они рекомбинируют. Несомненно, в целом в области p в результате этого дырок становится поменьше (как и электронов в области n). Но, потому как кристалл довольно крупный, в нем нарождается достаточное число новых дырок (и свободных электронов) для восстановления равновесия. Как видите, потоки зарядов есть, т.е. ток течет.

При приложении поля из n в p дырки дрейфуют, удаляясь от области n. Электроны также дрейфуют, удаляясь от области p. Так что в зоне перехода остается область, в которой свободных зарядов нет (обедненная зона, depletion zone). Но эта область не является электрически нейтральной: в части p она заряжена отрицательно (не хватает дырок), а в части n — положительно (не хватает электронов). За счет этого, в другой части кристалла (помимо обедненной зоны) внешнее поле нейтрализуется, все оно оказывается сосредоточнным в обедненной зоне, в которой свободных зарядов нет и потому ток идти не может. Очевидно, в обедненной зоне (истощённая зона) также временами рождаются дырки и свободные электроны, но, потому зона изрядно маленькая, это происходит достаточно редко.

 

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 проводника
  Инфракрасный λ > 760 U < 1,9 Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
  Красный 610 < λ < 760 1,63 < U < 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 < U < 2,10 Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
  Желтый 570 < λ < 590 2,10 < U < 2,18 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
  Зеленый 500 < λ < 570 1,9 < U < 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 < U < 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 < U < 4,0 Индия-галлия нитрид (InGaN)
  Пурпурный Смесь нескольких спектров 2,48 < U < 3,7 Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
  Ультрафиолетовый λ < 400 3,1 < U < 4,4 Алмаз (235 nm)
Нитрид бора (215 nm)
Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) (менее 210 nm)
  Белый Широкий спектр U ≈ 3,5 Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором

 

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Основной — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице компактно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, испускание которых смешивается при помощи оптической системы, в частности линзы. В результате выходит белый свет. Второй способ заключается в том, что на плоскость светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И напоследок в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой свето-диод, так что два или три излучения смешиваются, создавая белый или близлежащий к белому свет.

 

Яркость светодиодов более чем хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — сего-то как раз выделывать не полагается, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим особый регулирующий блок (по сути он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Способ ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-измененный ток, притом частота сигнала должна быть сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может меняться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Небольшое отклонение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

 

Диод – простейший полупроводниковый прибор.

 

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

 

     При соединении областей P-N типа свободные электроны материала N-типа заполняют свободные дырки материала P-типа. Это заполнение создаёт изоляционную плёнку на границе соединения диода, так называемый потенциальный барьер (обедненная зона).

Чтобы избавиться от потенциального барьера, нужно подсоединить сторону N-типа к минусу, а сторону P-типа к плюсу электрической цепи (батареи). Тогда движение свободных электронов материала N-типа к плюсу, свободные дырки материала P-типа к минусу. Когда разница напряжения между электродами будет достаточно высока, электроны в потенциальном барьере вырвутся из дырок и начнут свободное движение. Потенциальный барьер исчезнет и заряд пойдёт сквозь диод.

 

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

 

  Когда минус источника питания подсоединён к N-типа, а плюс к P-типа материалу, электроны и дырки начинают движение и потенциальный барьер исчезает.

Если подсоединить электроны по-другому, P-тип к минусу и N-тип к плюсу, тогда электрический ток протекать сквозь диод не будет, т.к. негативные электроны материала N-типа будут притягиваться к плюсу, дырки материала N-типа к минусу. Электроны и дырки движутся в ложном направлении, ток не проходит через соединение, потенциальный барьер увеличивается.

 

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

 

    Когда плюс ИП подсоединён к  N-типа и минус к P-типа материалу, свободные электроны собираются на одной стороне и свободные дырки на другой. Потенциальный барьер возрастает.

Взаимодействие между электронами и дырками имеет интересный побочный эффект – оно создаёт свет.

 

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

 

Чем больше ток, тем ярче светит LED (Излучающий кристалл — диод). Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

 

Как работает светоизлучающий диод ч.1 (Light-emitting diode)

 Обозначение на схеме

 

 

(Просмотрено 1090 раз)

0
0

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Top