Разные цвета, разные характеристики: почему светодиоды требуют разного подхода

Разные цвета, разные характеристики: почему светодиоды требуют разного подхода

Она насчитывает всего чуть больше ста лет. Первое упоминание о свечении диода относится к 1907 году. Английский физик Генри Раунд заметил разноцветное излучение при течении электричества через соединения карбид кремния-металл. Такое явление получило название электролюминесценция.

Спустя почти двадцать лет в 1923 году российский ученый Олег Лосев проводил подобные эксперименты в Нижнем Новгороде. Физик обнаружил свечение на месте контакта карбида кремния и стальной проволоки. Лосев опубликовал результаты своих исследований, и обосновал, что электролюминесценция наблюдается именно на границе соприкосновения разнородных материалов. Теоретическую базу под открытие подвести не смогли, и дальнейшего развития оно не получило. Хотя Лосев предсказал использование электролюминесценции для создания маломощных и миниатюрных источников света. Физик даже придумал конструкцию светового реле, но дальше исследования не продолжились.

В 1961 году, еще через сорок лет, американские изобретатели Д. Р. Байард и Г. Питтман придумали технологию выпуска светодиодов из арсенида галлия. В 1962 году они получили патент, и начался промышленный выпуск. Однако, их led-элемент испускал инфракрасное излучение, то есть был не видим человеческому глазу.

Но в том же 1962 году американский физик Ник Холоньяк изобрел красный светодиод. В 1971 году его соотечественник Жак Панков придумал синий. А в 1972 Джордж Крафорд открыл желтый led.

Впрочем, до семидесятых годов XX века светоизлучающие диоды оставались очень дорогими. первой в мире удалось организовать массовое производство led в качестве индикатора.

В семидесятых годах группе советских ученых под начальством Ж. Алферова удалось синтезировать неизвестные до этого полупроводниковые вещества. Их начали получать на предприятиях и в лабораториях. А на основе этих соединений запустили серийное изготовление светодиодов.

В 1983 году Citizen Electronics придумала и внедрила на своих предприятиях светодиоды плоской конструкции (SMD).

В девяностые годы японские ученые И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамура придумали, как значительно удешевить производство синих led. Технологию успешно опробовала фирма Nichia с 1993 года. А с 1996 года они начали изготовление белых led-элементов, чей свет получается из сочетания красного, синего и зеленого. В дальнейшем на базе открытия японских ученых стали стремительно развиваться новые методы производства световой техники: лампочек, дисплеев с подсветкой и других приборов.

В 2003 Citizen Electronics придумали новейшую технологию производства СОВ (Chip-On-Board). Она заключается в монтаже полупроводникового элемента на подложку при помощи специального непроводящего клея.

Очевидно, что история светоизлучающих диодов только набирает обороты, а технологии становятся все более совершенными.

Для создания разных цветов потребовалось много времени.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое светодиоды и как они работают

Как и любой диод, светодиод включает в себя один полупроводниковый p-n-переход (электронно-дырочный переход). С помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа – положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале р-типа приобретают дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.

При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах p- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны инжектируются в материал р-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал р-типа. Это называется прямым смещением.

Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал р-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет. Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.

Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах имеются потери, то на p-n-переходе генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение температуры p-n-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы светодиода, оптимизации его светового потока и повышения срока службы.

Какие цвета светодиодов существуют

Многие заблуждаются в том, что светодиоды светят тем цветом, в который окрашен их корпус, хотя как мы уже говорили ранее, для регулировки цвета и регулировки его интенсивности нужно подбирать подходящий полупроводниковый материал. Именно он является определяющим фактором, если нужно подобрать цвет. Однако, светодиоды могут излучать не все цвета и есть точный спектр, который получить возможно.

Наиболее распространенные цвета — это красный, желтый, зеленый и оранжевый. Это все потому, что их легче производить, а соответственно и стоят они в разы дешевле ново появившихся синих и белых. Взгляните на эту таблицу, чтобы понять, какому напряжению соответствуют итоговые цвета:

Цвета, которые бывают у светодиодов

Давайте теперь подробно остановимся на конкретных материалах, которые влияют на выбор цвета:

• арсенид галлия для получения инфракрасного (например, в пульте);
• фосфид арсенида, чтобы получить оранжевый и весь спектр от красного и до инфракрасного;
• фосфид арсенида галлия алюминия для ярко-красного, красно-оранжевого и даже желтого;
• фосфид алюминия-галлия для зеленого;
• фосфид галлия для желтого, зеленого и красного;
• нитрид галлия, чтобы получить изумрудно-зеленый;
• нитрид галлия-индия для бирюзового, синего и ближнего ультрафиолетового;
• карбид кремния для синего;
• селенид цинка и опять для синего;
• нитрид алюминия-галлия для ультрафиолета.

Взглянув на этот список можно заметить, что для некоторых цветов подойдет сразу несколько полупроводников и это действительно так. Это уже сам производитель выбирает, какие полупроводники ему выбрать. Может быть, ему легче достать именно этот тип, а не другой, или он просто дешевле. Да, вот так много разных материалов нужно, чтобы создать даже очень простенький современный телевизор, например.

Какие характеристики влияют на работу светодиодов разных цветов

Конкретный цвет света, излучаемого светодиодом, зависит не от цвета пластикового корпуса. Цвет зависит от полупроводникового материала и ширины запрещённой зоны полупроводника.

Ширина запрещённой зоны — это диапазон энергетических уровней в полупроводнике, которые должны преодолеть электроны, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости и излучить свет. Чем шире запрещённая зона, тем выше энергия фотонов, которые излучает светодиод, и тем короче длина волны света.

Валентная зона — это самая высокая энергетическая зона, в которой находятся электроны. Она расположена на нижнем уровне, а над ней зона проводимости — зона, в которую попадают электроны с достаточной энергией для перемещения внутри материала. Запрещённая зона лежит между валентной и зоной проводимости:

Когда электрон переходит на другой энергетический уровень, он испускает энергию в виде света, который мы видим:

Цветовой спектр этого света охватывает все видимые цвета, и они упорядочены по возрастанию или убыванию длины волны. В начале цветового спектра находится красный свет: он имеет наибольшую длину волны среди всех видимых цветов. За красным следуют оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый цвета:

Полупроводники красных светодиодов имеют узкую запрещённую зону, так что для перехода электронов достаточно относительно небольшой энергии. В результате электроны излучают красный свет с длиной волны около 600–700 нанометров.

У полупроводников зелёных светодиодов более широкая запрещённая зона, и для перехода электронов нужно уже больше энергии. При этом электроны излучают зелёный свет с длиной волны около 500–550 нанометров.

В синих светодиодах запрещённая зона в полупроводниках ещё шире. Синий свет требует ещё более высокой энергии и более короткой длины волны в диапазоне 450–480 нанометров.

Почему красные светодиоды требуют меньшего напряжения, чем синие

Не останавливающийся ни на минуту прогресс в области совершенствования полупроводниковых источников света необратимо завоевывает все новые области применения светодиодов и, соответственно, требует от них гораздо большего. Это обстоятельство подталкивает разработчиков на нетрадиционные решения проблем удовлетворения возросших требований. А для этого необходимо постоянно углублять знания в области физики работы светодиодов.

Возвращаясь к проблеме продолжительности работы и стабильности параметров светодиодов, стоит обсудить еще одну очень важную сторону этой темы — влияние температуры на характеристики излучения. В большинстве случаев, когда светодиоды участвуют в формировании ответственных сигналов, определенных стандартами, или являются исполнительной частью системы передачи изображения, температурным зависимостям всегда есть место при расчетах и проектировании систем, а также при поиске методов компенсации уходов параметров. Важно отметить, что под влиянием температуры изменяются практически все фундаментальные характеристики светодиодов, указываемые в спецификациях производителем только при комнатных температурах и составляющие основу для указанного проектирования, в то время как устройства на этих светодиодах, как правило, работают в широком диапазоне температур. Знание характера изменения характеристик в зависимости от тепловых условий позволит учесть и скорректировать выходные данные указанных устройств на их основе.

Как влияет температура на работу светодиодов разных цветов

Разная частота света по-разному влияет на растения. . Видимый свет – это свет, необходимый для фотосинтеза растений., а длина волны видимого света составляет около 400-700 нм.. Среди видимого света, красный и синий свет больше всего способствуют фотосинтезу., а растения с наибольшим количеством зеленого света меньше всего способствуют фотосинтезу.. Красные и синие светодиоды, сочетающие в себе красный и синий свет, являются идеальными светодиодными светильниками для выращивания растений., и эти два цвета света — всего лишь два наиболее эффективных источника света для роста растений.. Красный свет способствует циклу цветения и плодоношения растений., а синий свет способствует росту стеблей и листьев растений.. Комнатное и тепличное выращивание разработано уже давно., и люди нашли множество источников искусственного света, способствующих росту растений., например, лампы накаливания, люминесцентные лампы , металлогалогенные лампы, и натриевые лампы высокого давления. Эти традиционные источники искусственного света потребляют много энергии., имеют низкие коэффициенты преобразования световой энергии, низкая светоотдача, и высокие транспортные расходы. Улучшение коэффициента преобразования световой энергии и снижение энергопотребления — проблема, которую необходимо решить в области искусственного освещения растений.. С развитием общества, концепция энергосбережения укоренилась в сердцах людей. Спрос на сельскохозяйственное освещение продолжает расти, и потребление электроэнергии также быстро растёт, что не соответствует представлениям людей об энергосбережении. Традиционное освещение, потребляющее много электроэнергии, больше не отвечает потребностям современного сельского хозяйства.. Новые энергосберегающие осветительные приборы открыли возможности для развития. Среди этих новых осветительных приборов, Светодиодные светильники для выращивания растений могут наилучшим образом удовлетворить потребности современного сельского хозяйства..

Почему синие светодиоды требуют большего напряжения, чем красные

В то время как превосходные светодиоды менее подвержены изменению цвета, Увеличенная продолжительность жизни светодиодов может усилить видимость сменов цвета, поскольку они ближе к концу своей оперативной жизни.

Ключевая причина безвременного сдвига в светодиодах связана с тем, как производитель разрабатывает лампу или приспособление, а также качество материалов, используемых в ее строительстве. В качестве светодиодного света работает со временем, Subpar Design и Materials могут привести к их ухудшению. Этот, по очереди, приводит к изменению цветовой температуры генерируемого света.

Материал низкого качества

Использование компонентов низкого качества., нравиться водители и источники питания, может ускорить проблемы и способствовать изменению цвета. Рабочая температура, определяется током возбуждения, сильно влияет на производительность светодиодов. Чрезмерные колебания температуры во время использования сокращают срок службы большинства светодиодных компонентов..

Дизайн светильников

Некоторые производители могут выбрать “перегрузка” диоды для увеличения светоотдачи. Однако, такая практика повышает рабочую температуру диодов, повышение риска раннего изменения цвета, несмотря на увеличение просвет выход.

Производственные мощности, характеризующиеся некачественными условиями производства или сборки, могут увеличить вероятность проникновения пыли или грязи во внутренние компоненты светильников или светильников.. Этот добавленный материал может препятствовать возможностям рассеивания тепла этих светильников, тем самым усиливая вероятность преждевременного изменения цвета.

Установленные места

Размещение светодиодных фонарей в неподходящих корпусах или приспособлениях может привести к снижению качества освещения. Например, Установка светодиода “Кукуруза Початка ” Свет в существующее корпус приспособления для парковки без дизайна для управления теплом может повысить вероятность преждевременного изменения цвета. Корпус, возможно, не был разработан для рассеивания тепла из -за его предыдущего использования с Скрытые лампы .

Другие потенциальные причины

Источник сдвига цвета также может происходить из физических элементов в светодиодной структуре, Как фосфорные покрытия. Большинство доступных светодиодов используют конфигурацию пакета с покрытием фосфора, где к светодиодной фишке применяется смесь фосфоров. Степень изменения цвета зависит от характера деградации светодиода., зависит от технологии нанесения покрытия, используемой производителем.

Как влияет длительность работы на работу светодиодов разных цветов

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели - все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович , один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

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.

3. Как работает светодиод?
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 приконтакт-ные 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.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-пе-рехода в кристалле оказывается недостаточно, и прихо­дится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изуче­ние которых российский физик академик Жорес Алфе­ров получил Нобелевскую премию 2000 года.