Ласкаво просимо! Ви можете увійти або створити обліковий запис.

Усе про світлодіоди

Усе про світлодіоди

Усе про світлодіоди

Усе про світлодіоди
Усе про світлодіоди: історія відкриття, будова, технологія виготовлення, параметри, термін служби та ін.

1. Який все-таки середній термін служби світлодіодів?
Валити всі типи світлодіодів в одну купу і розглядати їх однаково не можна. Термін служби безпосередньо залежить від типу світлодіода, який подається на нього струму, охолодження кристала (chip) світлодіода, складу і якості кристала, компоновки і збірки в цілому.
 
Вважається, що світлодіоди виключно долговеч¬ни. Але це не зовсім так. Чим більший струм пропускається через світлодіод, тим вище температура і тим швидше настає старіння (деградація) кристала. І чим більше тепла ви передасте з підкладки світлодіода на радіатор тим довше він буде працювати. Тому світлодіодні збірки з потужними світлодіодами вимагають пасивного (монтаж на алюмінієву плату і радіатор) або активного (кулер, вентилятор) охолодження.
При достатньому охолодженні світлодіоди можна "розігнати" - подати максимальний рекомендований виробником струм.
Тому апріорі, термін служби у потужних светодіодів коротше, ніж у малопотужних індикаторних. Старіння виражається в першу чергу в зменшенні яскравості.
У світлодіодах потужністю від 1Вт (робочий струм 0,350А) і більш потужних, тепловиділення набагато рясніше, ніж у 5мм. світлодіодах, розрахованих на струм 0,02 а. По світловіддачі 1шт. світлодіод 1Вт замінює близько 50 світлодіодів типу "5мм". але і гріється у багато разів сильніше.
 
2. Чому у білих світлодіодів найменший термін служби?
На жаль, з'єднань, випромінюючих білий світ, ніхто ще не придумав. Основою LED білого кольору світіння є структура InGaN, випромінююча на довжині хвилі 470nm (синій колір) і нанесений зверху на неї люмінофор (спеціальний склад), що випромінює в широкому діапазоні видимого спектру і має максимум в його жовтий частини. Людське око комбінацію такого роду сприймає як білий колір. Люмінофор погіршує теплові характеристики світлодіода, тому термін служби скорочується. Зараз світові виробники винаходять нові й нові варіанти ефективного нанесення люмінофора.
Більшість потужних світлодіодів служать в районі 50.000 - 80.000 годин. Багато це чи мало?
50.000 годин це:
24 години на день 5.7 років
18 годин на день 7.4 років
12:00 в день 11.4 років
  8:00 в день 17.1 років
 3. Гріються світлодіоди? ...
Скрізь кажуть що світлодіоди практично не гріються. Так чому світлодіодним приладам потрібен тепловідвід і що буде якщо тепловідводу ні?
У світлодіоді світиться так званий pn перехід кристала. Грубо кажучи, це місце де один тип металу (-p) з'єднується з іншим типом (-n). Завдання - знайти таке поєднання різних провідників, щоб з цієї зони з мінімальними втратами виходило якомога більше світла.
І ось тут починаються проблеми. Ідеальною комбінації -p і -n провідників поки ще не знайдено, та й навряд чи знайдуть, і втрати, хочемо ми того чи ні, - завжди будуть. Тому разом з частинками видимого світла випромінюється ще і невелика кількість тепла. У минулому, коли світлодіоди були настільки тьмяними, що використовувалися лише в індикації, це испускаемое тепло ніхто і не рахував - настільки мізерно малим воно було.
Зараз же, з появою потужних і надпотужних світлодіодів співвідношення світла і тепла, випромінюване кристалом залишилося колишнім, але тепер воно вже більше відчутне. Для наочності подивіться на звичайну рядову мікросхему. Припустимо, це чіп розміром 1 на 1 см. Чим більше ця мікросхема виконує завдань, тим сильніше вона гріється. Але якщо це проста мікросхема, теплоотводом може служити і сам корпус мікросхеми, а також металеві висновки-контакти, якими вона припаяна до плати. Якщо ж ми хочемо всередині такої ж мікросхеми розташувати в мільйони разів більше напівпровідникових елементів і змусити цю мікросхему виконувати в мільйони разів більше операцій - виділення тепла зросте у багато разів і нам буде потрібно її охолоджувати примусово. Щоб далеко не ходити, подивіться на будь-який з нині існуючих комп'ютерних процесорів - вони всі забезпечені алюмінієвим або мідним радіатором з примусовим обдувом вентилятором.
Приблизно теж саме відбувається і в світлодіоді. Коли ми з однієї і тієї ж площі чіпа намагаємося «вичавити» більше світла, пропорційно зростає кількість тепла, що виділяється всередині самого кристала. І щоб його відводити, потрібно охолодження.
Так, потужним светодиодам типу «піранья» в якості тепловідводу достатньо свого корпусу і друкованої плати, на яку кріпиться світлодіод. А ось для надпотужного світлодіода вже буде потрібно додаткове охолодження у вигляді радіатора. Але звідки ж виникає це тепло? У світлодіоді, як уже говорилося, існують втрати під час перетворення електрики в світ. Але частина цього світла (фотонів) залишається всередині кристала. До кристалам, де виходить відносно багато світла і мало залишається всередині, стосовно визначення «високий квантовий вихід». Якщо ж світлодіод сам по собі не досить яскравий і на один ват подається напруги припадає відносно мало «вихідних» люмен, то тут стосовно визначення «кристал з низьким квантовим виходом».

Так що у будь-якого середньостатистичного світлодіода температура чіпа завжди росте разом з його потужністю. Типова робоча температура вироблених на сьогоднішній день світлодіодів становить від 50 ° С до 120 ° С, а з урахуванням постійного розвитку технологій в найближчому майбутньому може сягнути і 200 ° С.
Якщо потужні світлодіоди об'єднані в якусь збірку, та ще й встановлені в герметичний корпус, то нагрів стає значним. І якщо не відбувається відвід тепла, напівпровідниковий перехід перегрівається, отчого змінюються характеристики кристала, і через деякий час світлодіод може вийти з ладу. Так що дуже важливо строго контролювати кількість тепла і забезпечувати ефективний тепловідвід. Теплові характеристики приладів прораховуються вже на стадії проектування, що виключає будь-які проблеми в експлуатації.
 Як реагує світлодіод на підвищення температури?
Говорячи про температуру світлодіода, необхідно разлі¬чать температуру на поверхні кристала і в облас¬ті pn-переходу. Грубо кажучи, це місце де один тип металу (-p) з'єднується з іншим типом (-n). Від першої залежить термін служби, від другої - світловий вихід. В цілому з підвищенням тем¬ператури pn-переходу яскравість світлодіода падає, по¬тому що зменшується внутрішній квантовий вихід через вплив коливань кристалічної решітки. Тому так важливий хороший тепловідвід.
 Для прикладу на друкованій платі були розміщені світлодіоди фірми Cree. На малюнку 7 показані результати, що демонструють температуру без радіатора (ліворуч) і з радіатором (праворуч).

Падіння яскравості з підвищенням температури не однаково у світлодіодів різних кольорів. Воно більше у AlGalnP- і AeGaAs-світлодіодів, тобто у червоних і жовтих, і менше у InGaN, тобто у зелених, синіх і білих.


4. Чим відрізняється повноколірний RGB світлодіод від одноколірного?

У повноколірному світлодіоді на одній підкладці встановлені незалежні кристали трьох кольорів світіння (R + G + B), а монохромний світлодіод містить кристал (и) якого-небудь одного кольору світіння.
 


5. Як регулювати яскравість світлодіода?

Яскравість світлодіодів дуже добре піддається регулюванню, але не за рахунок зниження напруги живлення - цього-то якраз робити не можна, - а так званим методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), для чого необхідний спеціальний керуючий блок (реально він може бути поєднаний з блоком харчування і конвертором, а також з контролером управління кольором RGB-матриці).

Метод ШІМ полягає в тому, що на світлодіод подається не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна становити від сотень до тисяч герц, а ширина імпульсів і пауз між ними може змінюватися. Середня яскравість світлодіода стає керованою, в той же час світлодіод не гасне.

 

6. Що таке квантовий вихід світлодіода?

Квантовий вихід - це число випроменених квантів світла на одну рекомбинированного електронно-дірковий пару. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній - в самому pn-переході, зовнішній - для приладу в цілому (адже світло може втрачатися «по дорозі» - поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів з хорошим тепло-відведенням сягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а ддя синіх - 35% .Внешній квантовий вихід - одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

 

7. Які на сьогоднішній день існують технології виготовлення світлодіодів?

В цілому технологія виглядає так: в "реактор", (установку епітаксійного росту) встановлюють пластини зі штучного сапфіра. Потім подають газову суміш. Підстава з розміщеними на ньому пластинами обертається в реакторі зі швидкістю від 1000 об. / Хв. У процесі обертання атоми газу "прилипають" до поверхні кристалічної підкладки, утворюючи десятки шарів. Виходить кристал світлодіода товщиною в сотні мікрон.
Далі йде планарная обробка плівок: їх травлення, створення контактів до п- і р-верствам, покриття металевими плівками для контактних висновків. Потім пластини, поділяють на окремі кристали. Плівку, вирощену на одній підкладці, можна розрізати на кілька тисяч чіпів розмірами від 0,24x0,24 до 1x1 мм2. Чим більше площа кристала тим більше світла він здатний випромінювати при проходженні через нього струму.

Називається технологія "металоорганічна епітаксії". Для цього процесу необхідні особливо чисті гази. У сучасних реакторах передбачені автоматизація та контроль складу газів, їх роздільні потоки, точне регулювання температури газів і підкладок. Товщини вирощуваних верств вимірюються і контролюються в межах від десятків ангстрем до декількох мікрон. Різні шари необхідно легувати домішками, донорами або акцепторами, щоб створити pn-перехід з великою концентрацією електронів в n-області і дірок - в р-області.

Наступним кроком є ​​створення світлодіодів з цих чіпів. Необхідно змонтувати кристал в корпусі, зробити контактні висновки, виготовити оптичні покриття, просвітлюючі поверхню для виведення випромінювання або відбивають його. Якщо це білий світло-діод, то потрібно рівномірно нанести люмінофор. Треба забезпечити тепловідвід від кристала і корпуса, зробити пластиковий купол, що фокусує випромінювання в потрібний тілесний кут. Близько половини вартості светоді-ода визначається цими етапами високої технології.

Дуже важливо забезпечити і проконтролювати однорідність структур на поверхні підкладок. Вартість установок для епітаксійного росту напівпровідникових нітридів, розроблених в Європі (фірми Aixtron і Thomas Swan) і США (Emcore), досягає 1,5 - 2 млн доларів. Досвід різних фірм показав, що навчитися отримувати на такій установці конкурентоспроможні структури з необхідними параметрами можна за час від одного року до трьох років. Це - технологія, що вимагає високої виробничої культури.

Необхідність підвищення потужності для збільшення світлового потоку призвела до того, що традиційна форма корпусного світлодіода перестала задовольняти виробників через недостатнє тепловідведення. Треба було максимально наблизити чіп до теплопроводящей поверхні. У зв'язку з цим на зміну традиційної технології і кілька більш досконалої SMD-технології (surface montage details - поверхневий монтаж деталей) приходить найбільш передова технологія СОВ (chip on board). Світлодіод, виготовлений за технологією СОВ, схематично зображено на малюнку.

Світлодіоди, виконані за SMD- і СОВ-технології, монтуються (приклеюються) безпосередньо на загальну підкладку, яка може виконувати роль радіатора - в цьому випадку вона робиться з металу. Так створюються світлодіодні модулі, які можуть мати лінійну, прямокутну або круглу форму, бути жорсткими або гнучкими, коротше, покликані задовольнити будь-яку примху дизайнера. З'являються і світлодіодні лампи з таким же цоколем, як у низьковольтних галогенних, покликані їм на заміну. А для потужних світильників і прожекторів виготовляються світлодіодні збірки на масивному радіаторі.

Раніше в світлодіодних платах було дуже багато світлодіодів. Зараз, у міру збільшення потужності, світлодіодів стає менше, зате оптична система, напрямна світловий потік в потрібний тілесний кут, відіграє все більшу роль.

 

8. Де на сьогоднішній день застосовуються світлодіоди і які їхні перспективи?

Світлодіодне освітлення доцільно застосовувати в тих випадках, де потрібна висока надійність, де обслуговування світловий установки занадто дорого і вимагає спецтехніки або робіт альпіністів, де потрібно застосовувати цветодінаміческіх рішення, де потрібна енергоефективне рішення, наприклад при живленні від різноманітних генераторів.

Зворотний бік медалі: світлодіодні світильники ідеально підійдуть для неяскравою, але ефектною підсвічування. Цей конкретний приклад за ступенем споживання електроенергії на 90% економічніше найменших 15Вт галогенових лампочок.


Щороку світловіддача і ефективність світлодіодів збільшується на 30-50%. Станом на 2008 рік світлодіодні світильники вже частіше ламп застосовуються в архітектурному, декоративному, ландшафтному, підводному освітленні, святкової ілюмінації, шоу-бізнесі, а також у спеціальних додатках - медицині та рослинництві, наприклад.

 В осяжному будушем швидше за все світлодіоди витіснять лампи в черговому висвітленні місць громадського користування - під'їздах житлових будинків, світлових покажчиках і т.д. А також на транспорті - в літаках, поїздах, автомобілях. А в міру розвитку технології і здешевлення виробництва, справа вже доходить до нічного освітлення автомобільних доріг і вулиць. Все це дасть суттєву економію енергоресурсів в національних масштабах.

 

9. Які світові компанії виробляють світлодіоди?

 Список лідируючих виробників у світі:
- «CREE» (США);
- «Osram» (Німеччина);
- «Lumieleds Luxeon» (США);
- «Seoul Semiconductor» (Ю. Корея);
- «Nincha» (Японія);
- «Epistar» (Тайвань);
- «Edisson» (Тайвань);
- «Prolight Opto» (Тайвань).
 Щорічно, світловий потік самого продуктивного світлодіода кожного з світових брендів зростає стабільно на 20-30%. Вартість 100Лм світлового потоку падає на 10-15% на рік, а звідси і стабільне щорічне падіння цін на світлодіодні освітлювальні прилади.

Ціна світлодіодного приладу, безумовно, залежить від вартості самих світлодіодів. Світлодіоди при серійному виробництві світлотехнічних виробів складають найбільшу рядок у бюджеті виготовлення світлодіодних приладів.

10. Хто винайшов світлодіод?

Ще в 1907 році було вперше відзначено слабке світіння, испускаемое карбідокремнієвих кристалами внаслідок невідомих тоді електронних перетворень. У 1923 році наш співвітчизник, співробітник Нижегородської радіолабораторії Олег Лосєв відзначав це явище під час проведених ним радіотехнічних досліджень з напівпровідниковими детекторами, однак інтенсивність спостережуваних випромінювань була настільки незначною, що Російська наукова громадськість тоді всерйоз не цікавилася цим феноменом.
Через п'ять років Лосєв спеціально зайнявся дослідженнями цього ефекту і продовжував їх майже до кінця життя (О.В. Лосєв помер у блокадному Ленінграді в січні 1942 року, не доживши до 39 років). Відкриття "Losev Licht", як назвали ефект в Німеччині, де Лосєв публікувався в наукових журналах, стало світовою сенсацією. І після винаходу транзистора (в 1948 році) і створення теорії pn-переходу (основи всіх напівпровідників) стала зрозуміла природа світіння.

У 1962 році американець Нік Голоняк продемонстрував роботу першого світлодіода, а незабаром після цього повідомив про початок напівпромислового випуску світлодіодів.

Світлодіод (англ. Light emission diode - LED) є напівпровідниковим приладом, його активна частина, звана «кристал» або «чіп», як і у звичайних діодів складається з двох типів напівпровідника - з електронною (n-типу) і з дірковою (p -типу) провідністю. На відміну ж від звичайного діода в світлодіоді на кордоні напівпровідників різного типу існує певний енергетичний бар'єр, що перешкоджає рекомбінації електронно-доручених пар. Електричне поле, прикладене до кристалу, дозволяє подолати цей бар'єр і відбувається рекомбінація (анігіляція) пари з випромінюванням кванта світла. Довжина хвилі випромінюваного світла визначається величиною енергетичного бар'єру, який, у свою чергу, залежить від матеріалу і структури напівпровідника, а також наявності домішок.

Значить, насамперед потрібен pn-перехід, тобто контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього Пріконтактние шари напівпровідникового кристала легируют різними домішками: по одну сторону акцепторними, по інший - донорськими.

Але не всякий pn-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-доручених пар повинна бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови в тій чи іншій мірі суперечать один одному.

Реально, щоб дотримати обидві умови, одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетероструктури, за вивчення яких російський фізик академік Жорес Алфьоров отримав Нобелівську премію 2000 року.

 

11. Пристрій світлодіодів.

Основні сучасні матеріали, використовувані в кристалах світлодіодів:

InGaN - сині, зелені і ультрафіолетові світлодіоди високої яскравості;

AlGaInP - жовті, оранжеві і червоні світлодіоди високої яскравості;

AlGaAs - червоні та інфрачервоні світлодіоди;

GaP - жовті й зелені світлодіоди.

пристрій 5мм.- світлодіодів (ліворуч) і потужних (праворуч) світлодіодів

Пристрій світлодіодів різних типів спрощено представлено на малюнках. Світло, що випромінюється напівпровідниковим кристалом, потрапляє в мініатюрну оптичну систему, утворену сферичним рефлектором і самим прозорим корпусом діода, що має форму лінзи. Змінюючи конфігурацію рефлектора і лінзи, встановлюючи вторинні лінзи, домагаються необхідної спрямованості випромінювання.

трехкрістальний RGB світлодіод під мікроскопом.
Крім світлодіодів лампового типу (3,5,10мм, їх форма дійсно нагадує мініатюрну лампочку з двома висновками), останнім часом все більшого поширення набувають SMD -светодіоди. Вони абсолютно іншої конструкції, відповідає вимогам технології автоматичного монтажу на поверхню друкованої плати (surface mounted devices - SMD).
А сверхяркие світлодіоди такого типу називаються еммітеррамі (emitter, англ. "Випромінювач").
SMD світлодіоди мають більш компактні розміри, допускають автоматичну розстановку та пайку на поверхню плати без ручної збірки. Деякі виробники світлодіодів випускають спеціальні SMD-діоди, містять в одному корпусі три кристали, що випромінюють світло трьох основних кольорів - червоний, синій і зелений. Це дозволяє отримати при змішуванні їх випромінювання всю колірну гамму, включаючи білий колір, при ультракомпактних розмірах.
Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком (Люмени) і осьовою силою світла (Канделла), а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють в тілесному куті від 4 до 140 градусів.
Колір, як звичайно, визначається координатами кольоровості, колірною температурою білого світла (Кельвін), а також довжиною хвилі випромінювання (нанометра).
Для порівняння ефективності світлодіодів між собою і з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності (характеристика "Люмен / Ват"). Також цікавою характеристикою виявляється ціна одного люмена ($ / Люмен).
За силою світла світлодіоди діляться на три основні групи:
- Світлодіоди ультрависокої яскравості, потужністю від 1W (Ultra-high brightness LEDs) - сотні канделл;
- Світлодіоди високої яскравості, мощнотью до 20 mW (High brightness LEDs) - сотні і тисячі мілліканделл;
- Світлодіоди стандартної яскравості (Standard brightness LEDs) - десятки мілліканделл. Отже, будь-який світлодіод складається з одного або декількох кристалів, розміщених в корпусі з контактними висновками і оптичної системи (лінзи), що формує світловий потік. Довжина хвилі випромінювання кристала (колір) залежить від матеріалу напівпровідника і від легуючих домішок. Біновка (wavelength bin) кристалів по довжині хвилі випромінювання відбувається при їх виготовленні. У партії поставки на сучасному виробництві відбираються близькі по спектру випромінювання кристали. Широкий діапазон оптичних характеристик, мініатюрні розміри і гнучкі можливості по дискретному управлінню забезпечили застосування світлодіодів для створення самих різних світлових приладів і виробів. Светоді¬од випромінює у вузькій частині спектру, на певній довжині хвилі його колір чистий, що особливо цінують дизайнери.
Сучасна різноманітність світлодіодів і так званих світлодіодних зборок робить часто нетривіальною завдання вибору підходящих комплектуючих для реалізації тих чи інших світлотехнічних додатків. Основні параметри світлодіодів - кольоровість, сила світла і кут огляду по половинній потужності випромінювання. Але для професійного вибору, оцінки якості та ефективності виробів необхідний облік багатьох інших характеристик світлодіодів. Нижче наведено їх короткий перелік.
Значення характеристик і параметрів в конкретному випадку залежить від типу кристалу, конструкції і розміру рефлектора, структури і товщини люмінофорного покриття, методів формування оптичної лінзи та інших факторів.

 

Взято з сайту http://xopc.net.ua