Что такое светоизлучающий диод: работа и его применение

Светодиод - это двухпроводной полупроводниковый источник света. В 1962 году Ник Холоняк придумал светоизлучающий диод, и он работал в электроэнергетической компании. Светодиод - это особый тип диода, который имеет электрические характеристики, аналогичные диодам с PN переходом. Следовательно, светодиод позволяет току течь в прямом направлении и блокирует ток в обратном направлении. Светодиод занимает небольшую площадь, не превышающую 1 мм^два . Применение светодиодов используется для создания различных электрических и электронных проектов. В этой статье мы обсудим принцип работы светодиода и его применение.

Что такое светоизлучающий диод?

Светоизлучающий диод представляет собой p-n переходный диод . Это специально легированный диод, сделанный из особого типа полупроводников. Когда свет излучается в прямом смещении, это называется светодиодом.

Светодиод

Светодиодный символ

Символ светодиода похож на символ диода, за исключением двух маленьких стрелок, которые указывают излучение света, поэтому он называется светодиодом (светоизлучающим диодом). Светодиод имеет две клеммы, а именно анод (+) и катод (-). Символ светодиода показан ниже.

Светодиодный символ

Конструкция светодиода

Конструкция светодиода очень проста, потому что он разработан путем нанесения трех слоев полупроводникового материала на подложку. Эти три слоя расположены один за другим, где верхняя область является областью P-типа, средняя область активна и, наконец, нижняя область является областью N-типа. В конструкции можно увидеть три области полупроводникового материала. В конструкции область P-типа включает в себя дырки, область N-типа включает выборы, тогда как активная область включает как дырки, так и электроны.

Когда на светодиод не подается напряжение, поток электронов и дырок отсутствует, поэтому они стабильны. После подачи напряжения светодиод будет смещен в прямом направлении, так что электроны в N-области и дырки из P-области переместятся в активную область. Этот регион также известен как область истощения. Поскольку носители заряда, такие как дырки, содержат положительный заряд, тогда как электроны имеют отрицательный заряд, свет может генерироваться за счет рекомбинации полярных зарядов.

Как работает светоизлучающий диод?

Светодиод просто, мы знаем как диод. Когда диод смещен в прямом направлении, электроны и дырки быстро перемещаются через переход, и они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре после того, как электроны переходят из кремния n-типа в кремний p-типа, он соединяется с дырками, а затем исчезает. Следовательно, он делает атом в целом более стабильным и дает небольшой всплеск энергии в форме крошечного светового пакета или фотона.

Работа светоизлучающего диода

На приведенной выше диаграмме показано, как работает светоизлучающий диод, и пошаговый процесс диаграммы.

• Из приведенной выше диаграммы мы можем видеть, что кремний N-типа имеет красный цвет, включая электроны, обозначенные черными кружками.
• Кремний P-типа синего цвета и содержит дырки, они обозначены белыми кружками.
• Источник питания через p-n-переход заставляет диод смещаться в прямом направлении и переводить электроны из n-типа в p-тип. Продвигая отверстия в обратном направлении.
• Электрон и дырки на стыке совмещены.
• Фотоны испускаются при рекомбинации электронов и дырок.

История светоизлучающих диодов

Светодиоды были изобретены в 1927 году, но это не новое изобретение. Краткий обзор истории светодиодов обсуждается ниже.

• В 1927 году Олег Лосев (русский изобретатель) создал первый светодиод и опубликовал некоторые теории своих исследований.
• В 1952 году профессор Курт Леховец проверил теории неудачников и рассказал о первых светодиодах.
• В 1958 году Рубин Браунштейн и Эгон Лебнер изобрели первый зеленый светодиод.
• В 1962 году Ник Холоняк разработал красный светодиод. Итак, первый светодиод создан.
• В 1964 году IBM впервые реализовала светодиоды на печатной плате компьютера.
• В 1968 году компания HP (Hewlett Packard) начала использовать светодиоды в калькуляторах.
• В 1971 году Жак Панков и Эдвард Миллер изобрели синий светодиод.
• В 1972 году Джордж Кроуфорд (инженер-электрик) изобрел желтый светодиод.
• В 1986 году Уолден С. Райнс и Герберт Маруска из Университета Стаффорда изобрели светодиод синего цвета с магнием, включая будущие стандарты.
• В 1993 году Хироши Амано и физики Исаму Акаски разработали нитрид галлия с высококачественными светодиодами синего цвета.
• Инженер-электрик, такой как Сюдзи Накамура, разработал первый синий светодиод с высокой яркостью благодаря разработкам Amanos & Akaski, что быстро привело к распространению светодиодов белого цвета.
  В 2002 году в жилых помещениях использовались светодиоды белого цвета, стоимость каждой лампы составляла от 80 до 100 фунтов стерлингов.
• В 2008 году светодиодные фонари стали очень популярными в офисах, больницах и школах.
• В 2019 году светодиоды стали основными источниками света.
• Светодиодная разработка невероятна, поскольку она варьируется от небольших индикаторов до офисов, домов, школ, больниц и т. Д.

Схема светоизлучающего диода для смещения

Большинство светодиодов имеют номинальное напряжение от 1 до 3 вольт, тогда как номинальные значения прямого тока находятся в диапазоне от 200 до 100 мА.

Смещение светодиодов

Если на светодиод подается напряжение (от 1 В до 3 В), то он работает правильно, так как ток, подаваемый на него, находится в рабочем диапазоне. Точно так же, если приложенное к светодиоду напряжение выше рабочего напряжения, то область обеднения внутри светодиода выйдет из строя из-за сильного протекания тока. Этот неожиданно сильный ток приведет к повреждению устройства.

Этого можно избежать, подключив резистор последовательно с источником напряжения и светодиодом. Безопасные значения напряжения светодиодов будут находиться в диапазоне от 1 В до 3 В, тогда как безопасные номинальные значения тока будут в диапазоне от 200 мА до 100 мА.

Здесь резистор, который расположен между источником напряжения и светодиодом, известен как резистор ограничения тока, потому что этот резистор ограничивает поток тока, иначе светодиод может его разрушить. Таким образом, этот резистор играет ключевую роль в защите светодиода.

Математически протекание тока через светодиод можно записать как

IF = Vs - VD / Rs

Где,

«IF» - прямой ток

«Vs» - источник напряжения

«VD» - это падение напряжения на светодиодах.

«Rs» - токоограничивающий резистор.

Величина падения напряжения для преодоления барьера в области истощения. Падение напряжения на светодиодах составляет от 2 В до 3 В, в то время как на Si или Ge диоде 0,3, в противном случае 0,7 В.

Таким образом, светодиод может работать с использованием высокого напряжения по сравнению с Si или Ge диодами.
Светодиоды потребляют больше энергии, чем кремниевые или германиевые диоды для работы.

Типы светоизлучающих диодов

Есть разные типы светодиодов присутствуют, и некоторые из них упомянуты ниже.

• Арсенид галлия (GaAs) - инфракрасный
• Фосфид арсенида галлия (GaAsP) - от красного до инфракрасного, оранжевый
• Фосфид арсенида алюминия-галлия (AlGaAsP) - ярко-красный, оранжево-красный, оранжевый и желтый
• Фосфид галлия (GaP) - красный, желтый и зеленый
• Фосфид алюминия-галлия (AlGaP) - зеленый
• Нитрид галлия (GaN) - зеленый, изумрудно-зеленый
• Нитрид галлия-индия (GaInN) - ближний ультрафиолетовый, сине-зеленый и синий
• Карбид кремния (SiC) - синий как подложка
• Селенид цинка (ZnSe) - синий
• Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) - ультрафиолет

Принцип работы светодиода

Принцип работы Светодиода основан на квантовой теории. Квантовая теория говорит, что когда электрон опускается с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, энергия излучается фотоном. Энергия фотона равна энергетической щели между этими двумя энергетическими уровнями. Если диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, то ток течет через диод.

Принцип работы светодиода

Течение тока в полупроводниках вызвано потоком дырок в направлении, противоположном току, и потоком электронов в направлении тока. Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.

Рекомбинация указывает на то, что электроны из зоны проводимости перескакивают в валентную зону. Когда электроны переходят из одной полосы в другую, электроны излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотонов равна запрещенной энергетической щели.

Например, давайте рассмотрим квантовую теорию, энергия фотона является произведением постоянной Планка и частоты электромагнитного излучения. Показано математическое уравнение

Eq = hf

Где его называют постоянной Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света, т.е. c. Частота излучения связана со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, и приведенное выше уравнение примет вид

Eq = he / λ

Из приведенного выше уравнения можно сказать, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны. В обычных кремниевых и германиевых полупроводниках этот запрещенный энергетический зазор находится между условием и валентными зонами, так что полное излучение электромагнитной волны во время рекомбинации находится в форме инфракрасного излучения. Мы не можем видеть длины инфракрасных волн, потому что они находятся вне нашего видимого диапазона.

Инфракрасное излучение считается тепловым, потому что кремний и германий полупроводники не являются прямозонными полупроводниками, а скорее являются непрямыми полупроводниками. Но в прямозонных полупроводниках максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не возникают в один и тот же момент электронов. Следовательно, во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, импульс электронной зоны будет изменяться.

Белые светодиоды

Изготовление светодиодов может осуществляться двумя способами. В первом методе светодиодные чипы, такие как красный, зеленый и синий, объединены в одном корпусе для генерации белого света, тогда как во втором методе используется фосфоресценция. Флуоресценцию внутри люминофора можно суммировать в окружающей эпоксидной смоле, тогда светодиод будет активирован коротковолновой энергией с использованием светодиодного устройства InGaN.

Огни разного цвета, такие как синий, зеленый и красный, комбинируются в изменяемых количествах для создания различного цветового ощущения, известного как основные дополнительные цвета. Эти три интенсивности света складываются в равной степени, чтобы получить белый свет.

Но для достижения этой комбинации с помощью комбинации зеленых, синих и красных светодиодов требуется сложная электрооптическая конструкция для управления сочетанием и распространением разных цветов. Кроме того, этот подход может быть сложен из-за изменений в цвете светодиода.

Линия продуктов белого светодиода в основном зависит от одного светодиодного чипа с люминофорным покрытием. Это покрытие генерирует белый свет при попадании через ультрафиолетовые фотоны в противном случае. Тот же принцип применяется и к люминесцентным лампам: излучение ультрафиолета от электрического разряда внутри лампы заставит люминофор мигать белым.

Несмотря на то, что этот процесс светодиода может генерировать разные оттенки, различия можно контролировать с помощью экранирования. Устройства на основе белых светодиодов экранируются с использованием четырех точных координат цветности, которые находятся рядом с центром диаграммы CIE.

Диаграмма CIE описывает все достижимые цветовые координаты в пределах подковообразной кривой. Чистые цвета лежат над дугой, но белый кончик находится в центре. Цвет белого светодиода на выходе может быть представлен четырьмя точками, которые представлены в середине графика. Несмотря на то, что координаты четырех графиков близки к чистому белому, эти светодиоды обычно не эффективны, как обычный источник света, для освещения цветных линз.

Эти светодиоды в основном используются для белых линз, в противном случае прозрачных линз, непрозрачной подсветки. Когда эта технология будет развиваться, белые светодиоды наверняка получат репутацию источника освещения и индикации.

Световая эффективность

Световая отдача светодиодов может быть определена как создаваемый световой поток в лм для каждого блока, а электрическая мощность может использоваться в пределах Вт. Номинальная внутренняя эффективность светодиода синего цвета составляет 75 лм / Вт, желтые светодиоды имеют 500 лм / Вт и красный Светодиоды имеют 155 лм / Вт. Из-за внутреннего повторного поглощения потери могут быть приняты во внимание, порядок световой отдачи колеблется от 20 до 25 лм / Вт для зеленых и желтых светодиодов. Это определение эффективности также известно как внешняя эффективность и аналогично определению эффективности, обычно используемому для других типов источников света, таких как многоцветные светодиоды.

Многоцветный светоизлучающий диод

Светоизлучающий диод, который производит один цвет при подключении в прямом смещении и производит цвет при подключении в обратном смещении, известен как многоцветный светодиод.

Фактически, эти светодиоды включают в себя два PN-перехода, и их соединение может быть выполнено параллельно с анодом одного, который соединен с катодом другого.

Многоцветные светодиоды обычно красные, когда они смещены в одном направлении, и зеленые, когда они смещены в другом направлении. Если этот светодиод включается очень быстро при двух полярностях, он будет генерировать третий цвет. Зеленый или красный светодиод будет генерировать желтый цвет при быстром переключении назад и вперед между полярностями смещения.

В чем разница между диодом и светодиодом?

Основное отличие диода от светодиода заключается в следующем.

ВАХ светодиода

На рынке доступны различные типы светодиодов, и существуют различные характеристики светодиодов, которые включают цветовой свет или длину волны излучения, интенсивность света. Важная характеристика светодиода - цвет. При запуске светодиода используется только красный цвет. Поскольку использование светодиодов расширяется с помощью полупроводникового процесса и исследования новых металлов для светодиодов, были сформированы различные цвета.

ВАХ светодиода

На следующем графике показаны приблизительные кривые между прямым напряжением и током. Каждая кривая на графике обозначает свой цвет. В таблице приведены сводные характеристики светодиодов.

Характеристики светодиода

Какие бывают два типа конфигураций светодиодов?

Стандартные конфигурации светодиодов - это два типа излучателей и COB.

Эмиттер представляет собой одиночный кристалл, который устанавливается на печатную плату, а затем на радиатор. Эта печатная плата передает электроэнергию на излучатель, а также отводит тепло.

Чтобы снизить стоимость, а также повысить однородность света, исследователи определили, что светодиодную подложку можно отсоединить, а одиночный кристалл можно установить на печатной плате открыто. Эта конструкция называется COB (chip-on-board array).

Преимущества и недостатки светодиодов

В преимущества светодиода включая следующее.

• Стоимость светодиодов меньше, и они крошечные.
• С помощью светодиода контролируется электричество.
• Интенсивность светодиода меняется с помощью микроконтроллера.
• Долгая жизнь
• Энергетически эффективный
• Без периода прогрева
• Прочный
• Не действует при низких температурах
• Направленный
• Цветопередача отличная
• Экологически чистый
• Управляемый

В недостатки светодиода включая следующее.

• Цена
• Температурная чувствительность
• Температурная зависимость
• Качество света
• Электрическая полярность
• Чувствительность к напряжению
• Падение эффективности
• Воздействие на насекомых

Применение светоизлучающих диодов

Есть много применений светодиодов, некоторые из которых описаны ниже.

• Светодиод используется в качестве лампочки в домах и на производстве.
• Светодиоды используются в мотоциклах и автомобилях.
• Они используются в мобильных телефонах для отображения сообщения.
• На светофорах используются светодиоды.

Таким образом, в этой статье обсуждается обзор светодиода Принцип работы схемы и применение. Надеюсь, прочитав эту статью, вы получили некоторую основную и рабочую информацию о светодиодах. Если у вас есть какие-либо вопросы об этой статье или о электрическом проекте последнего года, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже. Вот вам вопрос, Что такое светодиод и как он работает?