Светоизлучающие диоды

Диоды, как и все полупроводниковые приборы, управляются принципами, описанными в квантовой физике. Одним из этих принципов является излучение лучистой энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Это тот же принцип работы, что и в неоновой лампе, характерно розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за спецефических энергетических переходов его электронов при протекании электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы связан с тем, что внутри трубки находится неоновый газ, а не с величиной тока, протекающего через трубку, и не с напряжением, приложенным к двум электродам. Неоновый газ светится розовато-оранжевым цветом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент обладает своим собственным характерным излучением лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными, квантованными энергетическими уровнями. Газ водорода, например, при ионизации светится красным цветом, а пары ртути светятся синим. Именно это делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.

Электроны, протекающие через PN переход, испытывают аналогичные переходы энергетических уровней и также излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и содержащимися в нем элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из специальных химических соединений, при изменении электронами энергетических уровней излучают лучистую энергию в спектре видимого света. Проще говоря, эти переходы светятся при подаче прямого смещения. Диод, специально разработанный для свечения, как лампа, называется светоизлучающим диодом, или светодиодом, или LED.

Кремниевые диоды с поданным прямым смещением выделяют тепло в виде электронов и дырок из областей N-типа и P-типа, соответственно, рекомбинирующих в переходе. В светодиоде с поданным прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области (рисунок (c) ниже) производит фотоны. Этот процесс известен как электролюминисценция. Чтобы выдать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем у кремниевого диода. Прямое падение напряжения на диоде может варьироваться до нескольких вольт для светодиодов некоторых цветов.

Светодиоды, изготовленные из соединения элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемого арсенид-фосфид галлия), светятся ярко красным цветом и являются самыми распространенными производимыми светодиодами. Изменяя химический состав PN перехода, можно получить различные цвета. Ранние поколения светодиодов были красного, зеленого, желтого, оранжевого и инфракрасного цвета; последующие поколения включают в себя синий и ультрафиолетовый цвета, причем фиолетовый цвет был последним добавленным цветом. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух и более светодиодов основных цветов (красный, зеленый и синий) в один корпус, используя одну общую оптическую линзу. Это позволило создавать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), использующие красный и зеленый цвета (которые могут вместе давать желтый), а затем RGB светодиоды (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь спектр цветов.

Условным обозначением светодиода является обозначение обычного диода внутри круга с двумя маленькими стрелками, направленными от него (указывают на испускание света), показано на рисунке (a) ниже.

Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, направленных от устройства, является общим для условных графических обозначений всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство активируется светом (что означает, что входящий свет стимулирует его), то условное обозначение будет иметь две маленькие стрелки, направленные на него. Светодиоды могут быть чувствительны к свету. При воздействии света они генерируют небольшое напряжение, подобно солнечному элементу в небольшом масштабе. Это свойство может быть эффективно применено в различных светочувствительных схемах.

Поскольку светодиоды изготавливаются из различных химических веществ, в отличие от кремниевых диодов, их прямые падения напряжения могут быть разными. Как правило, светодиоды имеют гораздо большее падение прямого напряжения, чем у выпрямительных диодов, от примерно 1,6 вольта до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типовой рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет примерно 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно с светодиодом «понижающий» (токоограничивающий) резистор, чтобы помешать полному напряжению источника вывести светодиод из строя. Рассмотрим пример схемы на рисунке (a) ниже с использованием источника 6 В.

При падении напряжения на светодиоде 1,6 вольта, на резисторе упадет 4,4 вольта. Определить номинал резистора для тока светодиода 20 мА очень просто, необходимо взять падение напряжения (4,4 вольта) и разделить его на ток в цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R=U/I). Это дает нам значение 220 Ом. Вычисляя рассеиваемую резистором мощность, мы берем падение напряжения на нем и умножаем его на ток (P=IU), и в итоге получаем 88 мВт, что соответствуют резистору мощностью 0,125 Вт. Для более высоких напряжений аккумулятора потребуются более высокоомные токоограничивающие резисторы, и, возможно, с большей номинальной мощностью. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для источника питания 24 вольта.

Здесь понижающий резистор должен быть увеличен до 1,12 кОм, чтобы на нем падало 22,4 вольта при токе 20 мА, чтобы светодиод по-прежнему получал только 1,6 вольта. Это также приводит к большей рассеиваемой на резисторе мощности: 448 мВт, мощность почти полватта! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности 0,125 ватта или даже 0,25 ватт, если будет здесь использоваться, то будет перегреваться.

Номиналы токоограничивающих резисторов не обязательно должны точно соответствовать расчетам светодиодных цепей. Предположим, что мы должны использовать резистор номиналом 1 кОм, вместо 1,12 кОм, в схеме, показанной выше. Результатом будет немного большие ток в цепи и падение напряжения на светодиоде, что приведет к более яркому свету от светодиода и небольшому сокращению его срока службы. Понижающий резистор со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм, вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току в цепи, к меньшему напряжению на светодиоде и к более тусклому свету. Светодиоды довольно терпимы к изменению приложенной мощности, поэтому вам не нужно стремиться к идеально точному подбору номинала токоограничивающего резистора.

Иногда требуется использовать несколько светодиодов, скажем, для подсветки. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой токоограничивающий резистор, как показано на рисунке (a) ниже, чтобы обеспечить более равномерное распределение токов. Тем не менее, более эффективно использовать светодиоды, работающие последовательно (рисунок (b) ниже) с одним понижающим резистором. Поскольку количество светодиодов в последовательной цепи увеличивается, номинал резистора должен быть уменьшен для поддержания тока на определенном значении. Количество светодиодов в последовательной цепи не может превышать возможности источника питания. Можно использовать несколько последовательных цепей, как показано на рисунке (c) ниже.

Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий между отдельными компонентами. Для критически важных применений компоненты могут подобраны для совпадения яркостей.

Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкое значение максимального обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды. Типовой светодиод может быть рассчитан только на 5 вольт в режиме обратного смещения. Поэтому при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите параллельно, но в противоположном направлении светодиоду защитный выпрямительный диод, чтобы предотвратить обратный пробой во время отрицательных полупериодов (рисунок ниже).

«Антипараллельный» диод на рисунке выше может быть заменен «антипараллельным» светодиодом. Полученная пара антипараллельных светодиодов будет загораться в чередующихся полупериодах синусоиды переменного напряжения. Эта схема будет потреблять 20 мА, разделяя их поровну между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного напряжения. Благодаря совместному использованию каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое можно сказать об антипараллельном включении светодиода с выпрямительным диодом. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требуется 20 мА, то номинал резистора может быть уменьшен в два раза.

Прямое падение напряжения светодиода обратно пропорционально длине волны (λ). Поскольку длина волны уменьшается от инфракрасного света до видимых цветов и далее до ультрафиолетового света, V_F в это же время увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна из спецификаций на различные устройства от одного производителя, диапазон напряжений для конкретного цвета от разных производителей может варьироваться. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.

Как осветительные устройства, светодиоды превосходят лампы накаливания во многих отношениях. В первую очередь, это эффективность: светодиоды выдают гораздо больше мощности света на ватт подводимой электрической мощности, чем лампа накаливания. Это является существенным преимуществом, если рассматриваемая схема работает от аккумулятора, а эффективность соответствует большему сроку службы аккумулятора. Во-вторых, тот факт, что светодиоды намного надежнее, имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания со светящейся от накала металлической нитью накаливания, чувствительной к разрыву от механического и температурного шока. В-третьих, высокая скорость, с которой светодиоды могут включаться и выключаться. Это преимущество также связано с «холодной» работой светодиодов: им не приходится преодолевать тепловую инерцию при переходе от режима «выключен» к режиму «включен» и наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл/выкл) информации в виде импульсов света, проводимых в пустом пространстве или через волоконно-оптический кабель, с очень высокими скоростями (миллионы импульсов в секунду).

Светодиоды превосходны в монохроматическом освещении, например, светофоры и автомобильные задние фонари. Лампы накаливания в этом случае ужасны, так как они требую фильтрации цвета, что снижает эффективность. Светодиодам такая фильтрация не требуется.

Белый светодиод – это синий светодиод, возбуждающий люминофор, который излучает желтый свет. Синий плюс желтый дают примерно белый свет. Характер люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтый плюс синий, но при этом уменьшится эффективность. В приведенной выше таблице сравниваются светодиоды с обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах выходного светового потока на ватт входной мощности.

Светодиоды в целом были основным предметом исследований и разработок 1960-х годов. Поэтому нецелесообразно охватывать в этой статье все структуры, химические вещества и характеристики, которые были созданы за эти десятилетия. Ранние устройства были относительно тусклыми и потребляли небольшие токи. Эффективность была улучшена в более поздних поколениях до такой степени, что стало опасно напрямуя смотреть на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз. И светодиоды требовали незначительного увеличения падения напряжения (V_F) и тока. Современные высокоинтенсивные устройства достигли 180 люмен, используя 0,7 А (82 люмен/ватт), а модели с более высокой интенсивностью могут использовать даже более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Предметом текущих исследований являются другие разработки, такие как квантовые точки.

Теги