Світлодіоди: Початок
Напівпровідники, які називаються світлодіодами, перетворюють електричну енергію на світлову. Напівпровідниковий матеріал і склад визначають колір вихідного світла, при цьому світлодіоди часто класифікують на три довжини хвилі: ультрафіолетове, видиме та інфрачервоне.
Доступні комерційно доступні світлодіоди з вихідною потужністю одного елемента не менше 5 мВт мають діапазон довжин хвиль від 275 до 950 нм. Незалежно від виробника, для кожного діапазону довжин хвиль використовується конкретне сімейство напівпровідникових матеріалів. У цій статті наведено огляд функціонування світлодіодів і короткий огляд сектора. Також буде обговорено різні типи світлодіодів, відповідну довжину хвилі, матеріали, використані в їх конструкції, і деякі способи використання конкретних світильників.
УФ світлодіоди (ультрафіолетові світлодіоди): від 240 до 360 нм
Ультрафіолетові світлодіоди використовуються, зокрема, для дезінфекції води, медичних/біомедичних застосувань і промислового затвердіння. При довжині хвилі всього 280 нм було досягнуто рівні вихідної потужності понад 100 мВт. Нітрид галію/нітрид галію алюмінію (GaN/AlGaN) з довжиною хвилі 360 нм або більше є матеріалом, який найчастіше використовується для УФ-світлодіодів. Для коротших хвиль використовуються ексклюзивні матеріали. Коротші довжини хвилі виробляють лише кілька постачальників, і витрати на ці світлодіоди все ще досить високі в порівнянні з рештою пропозицій світлодіодної продукції, навіть якщо ринок для довжин хвиль 360 нм і більше стабілізується через зниження ціни та великий постачання.
Діапазон зелених світлодіодів становить від УФ до 530 нм
Нітрид індію-галію (InGaN) є матеріалом, який використовується для товарів у цьому діапазоні довжин хвиль. Хоча технічно можливо виробити світлодіод із будь-якою довжиною хвилі від 395 до 530 нм, більшість великих постачальників зосереджені на створенні синіх світлодіодів (450–475 нм) для білого освітлення на основі люмінофора та зелених світлодіодів у 520-– Діапазон 530 нм для зеленого світлофора. Більшість людей вважають технологію, що лежить в основі цих світлодіодів, передовою. За останні кілька років покращення оптичної ефективності сповільнилося або припинилося.
Світлодіоди в діапазоні від жовто-зеленого до червоного: від 565 до 645 нм
Напівпровідник, який використовується для цього діапазону довжин хвиль, — фосфід алюмінію, індію, галію (AlInGaP). Здебільшого він виробляється в світлофорі жовтого (590 нм) і червоного (625 нм) довжин хвиль. Хоча вони менш поширені, салатово-зелений (або жовтувато-зелений 565 нм) і помаранчевий (605 нм) також пропонуються в цій технології.
Варто відзначити, що чисто зелений (555 нм) випромінювач не є особливістю ні технологій InGaN, ні AlInGaP. Існують старіші, менш ефективні технології в цій сфері чистої зелені, але вони не вважаються ефективними чи блискучими. Це здебільшого викликано браком фінансування для розробки альтернативних технологій матеріалів для цього діапазону довжин хвиль, а також відсутністю комерційного інтересу чи попиту.
660–900 нм: від темно-червоного до ближнього інфрачервоного (IRLED)
Конструкція пристроїв у цій галузі може приймати різні форми, але вони завжди використовують елементи арсеніду галію (AlGaAs) або арсеніду галію (GaAs). Численні медичні застосування (при 660–680 нм), а також інфрачервоні пульти дистанційного керування та лампи нічного бачення є серед застосувань.
Теорія роботи світлодіодів
Щоб світлодіоди, які є напівпровідниковими діодами, випромінювали світло під час електричного струму, потрібно застосувати електричну напругу, достатню для того, щоб електрони могли рухатися через область виснаження та з’єднуватися з діркою з іншого боку, щоб створити пару електронно-дірок. струм подається в прямому напрямку пристрою. Це змушує електрон випромінювати фотон, коли він виділяє свою енергію у формі світла.
Довжина хвилі випромінюваного світла залежить від ширини забороненої зони напівпровідника. Матеріали з більшою шириною забороненої зони випромінюють коротші хвилі, оскільки короткі хвилі мають більше енергії. більші напруги також необхідні для провідності в матеріалах з більшою забороненою зоною. У той час як світлодіоди ближнього ІЧ-діапазону мають пряму напругу від 1,5 до 2.0 В, короткохвильові УФ-сині світлодіоди мають пряму напругу 3,5 В.
Коефіцієнти доступності та ефективності для довжин хвиль
Потенціал ринку, споживчий попит і галузеві стандартні довжини хвилі є основними факторами, які визначають, чи є певна довжина хвилі комерційно життєздатною чи ні. Це найбільш помітно в діапазонах довжин хвиль 420–460 нм, 480–520 нм і 680–800 нм. Немає великих виробників, які виробляють світлодіодні пристрої для цих діапазонів довжин хвиль, оскільки вони не мають широкого використання. Тим не менш, можливо знайти малих або середніх постачальників, які надають товари для заповнення цих конкретних довжин хвиль на індивідуальній основі.
Ділянку довжини хвилі, де кожна технологія матеріалу є найбільш ефективною, можна знайти майже в центрі кожного діапазону. Ефективність зменшується, коли рівень легування напівпровідника підвищується або падає нижче ідеального рівня. З цієї причини синій світлодіод випромінює набагато більше світла, ніж зелений або ближній УФ-діод, бурштиновий випромінює більше світла, ніж жовто-зелений світлодіод, а ближній ІЧ-діод випромінює більше світла, ніж 660 нм. Дизайн для середини спектру, а не країв, завжди є кращим варіантом. Крім того, простіше отримати товари, які не виходять за межі матеріальних технологій.
Живлення світлодіодів струмом і напругою
Світлодіоди є діодами і повинні працювати в режимі струму, навіть якщо вони є напівпровідниками і потребують мінімальної напруги для роботи. При використанні світлодіодів в режимі постійного струму існує два основних способи: використання струмообмежувального резистора є найпростішим і найпопулярнішим. Значне розсіювання тепла та потужності в резисторі є недоліком цієї технології. Напруга живлення має бути значно вищою за пряму напругу світлодіода, щоб струм залишався постійним при зміні температури та від одного пристрою до іншого.
Комерційні стандартні світлодіодні драйвери пропонують різні постачальники. Для керування яскравістю вони зазвичай працюють, використовуючи принципи широтно-імпульсної модуляції.
Окремий набір проблем виникає під час пульсації світлодіодів у режимі сильного струму та/або високої напруги для масивів, з’єднаних послідовно та паралельно. Для дизайнера-початківця неможливо створити імпульсний привод із керуванням струмом, який може забезпечити 5 А та 20 В. Кілька компаній виробляють спеціалізовані інструменти для світлодіодів, які пульсують.
Світлодіоди в програмах, які люди бачать
Точний колір має значно більше значення в ситуаціях, коли світлодіоди безпосередньо розглядаються або використовуються як люмінатори, ніж точний вихід у люменах або канделах. Мозок чудово пристосовується до будь-яких змін інтенсивності світла, тоді як людське око відносно байдуже до них. Наприклад, пересічна людина, яка переглядає світлодіодний відеоекран у будівлі, не помітить 20-відсоткове зменшення інтенсивності, оскільки частини екрана переглядаються під кутом від 10 до 20 градусів поза осею порівняно з частиною, розташованою безпосередньо на осі, оскільки це поступова зміна, яка не сприймається, коли вона рухається до краю зору. На відміну від цього, людське око помітить зміну кольору та набридне, якщо довжина хвилі світлодіодів певної області відрізняється від світлодіодів в інших областях на 10 нм.
Більшість білих світлодіодів, які використовуються сьогодні, створюються шляхом вливання видимого люмінофора з більшою довжиною хвилі в синій світлодіод. Спектральна подібність до сонячного світла вимірюється індексом передачі кольору (CRI). Більшість світлодіодів, які сьогодні використовуються в загальному освітленні, мають CRI вище 80, причому 100 вважається еквівалентом сонячного світла. Білі світлодіоди стають найбільш затребуваним продуктом для більшості застосувань освітлення завдяки вдосконаленню CRI та покращеній оптичній ефективності.
Переваги та застосування світлодіодів
Порівняно з фільтрованим світлом, світлодіоди мають кілька переваг для монохроматичних застосувань, оскільки їхні спектри довжин хвиль визначені точніше. Економія енергії від використання лампи розжарювання з фільтром для загального освітлення потенційно може бути в 100 разів вищою. Такі програми, як сигнали світлофора та архітектурне освітлення, отримують від цього велику користь. Крихітна сонячна панель може легко живити портативні дорожні світлодіодні знаки малої потужності замість великого генератора, що є очевидною перевагою.
Загалом, світлодіоди дешевші, надійніші та можуть харчуватися від дешевшої електроніки, ніж лазери. Зараз світлодіоди класифікуються окремо як у США, так і в Європейському Союзі. На щастя, на відміну від лазерів і лазерних діодів, світлодіоди не мають тих самих проблем або попереджень щодо безпеки очей. З іншого боку, за допомогою світлодіодів неможливо створити оптично щільні, дуже крихітні та сильно колімовані плями. Лазер майже завжди потрібен у програмах, які вимагають виключно високої щільності потужності в компактному регіоні.
Сьогодні світлодіоди використовуються в широкому діапазоні секторів і застосувань (табл. 1). Ці пристрої надзвичайно економічні та привабливі як для споживачів, так і для промислових ринків завдяки своїй високій надійності, високій ефективності та меншій загальній вартості системи порівняно з лазерами та лампами. Кожну унікальну світлодіодну технологію та/або колір було створено для задоволення конкретних потреб користувача.
