Светодиоды


Светодиóд или полупроводниковый светоизлучающий диод (англ. - LED, Light-emitting diode) — полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электрического тока. Испускаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, его цвет зависит от используемого типа полупроводника. 

Светодиод

Обозначение светодиода в электрических схемах

Как и любой другой полупроводниковый диод, светодиод имеет p-n переход и как диод, пропускает ток только в одном направлении. Если к светодиоду в прямом направлении приложить напряжение, превышающее величину запрещенной зоны, через p-n переход потечет ток. Носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют в области p-n перехода с излучением квантов излучения.

Светодиод

Светодиоды диаметром 5 мм

Для того, чтобы полупроводниковый диод излучал свет, необходимо сочетание полупроводниковых материалов, в которых с одной стороны, величина энергетического барьера сравнима с энергией фотонов излучения, с другой стороны, применяемый полупроводник должен быть прямозонным, то есть таким, в котором разрешены прямые переходы между зонами без промежуточных энергетических уровней. Например, материалы галлия, индия с легированием мышъяком и фосфором (GaAs, GaN или InP), перечень используемых полупроводниковых материалов более подробно описан в статье материалы для производства светодиодов. Подбирая состав полупроводника, можно изготовить светодиод для различных длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.

Светодиод

Светодиод с пластиковой оболочкой

Кроме способности излучать свет, материал полупроводникового чипа должен обладать другими не менее важными характеристиками, например малой толщиной активной зоны и прозрачностью в диапазоне спектра излучения, материал подложки и слой полупроводникового материала должен обладать хорошей отражающей способностью и высокой теплопроводностью. Только сочетание этих сторон позволяют получить светодиоды с высокой эффективностью и значительным сроком службы. Немаловажной частью полупроводникового прибора является его корпус. Корпус светодиода должен обеспечивать механическую прочность, выдерживать большие перепады температуры, сохранять оптические характеристики, обеспечивать необходимую фокусировку излучаемого света.

Спектр излучения светодиода

Спектр светодиода

Спектр излучения красного, зелёного, синего и белого (люминофорного) светодиода

Преимущества использования светодиодов 

В сравнении с другими электрическими источниками света, светодиодные излучатели имеют следующие отличия:

  • Высокая эффективность.
  • Узкий спектр излучения. Для передачи данных и индикации это — хорошо, для освещения — плохо.
  • Малая инерционность.
  • Малый угол излучения.
  • Высокая механическая прочность, стойкость к вибрации.
  • Длительный срок службы.
  • Безопасность — низкое напряжение питания.
  • Ограниченный температурный диапазон, хорошая работа при низких температурах.
  • Отсутствие в составе токсичных веществ.
  • Низкая стоимость.

Применение светодиодов

  • В освещении, промышленном, уличном, бытовом.
  • В качестве приборных индикаторов, в виде одиночных светодиодов, групп светодиодов, шкал, так и в виде цифрового или цифро-буквенного индикатора (например, цифровые часы)
  • Матрицы светодиодов используются в больших электронных табло, в бегущих строках. В таких табло каждый элемент (пиксел) изображения может состоять из одного или нескольких светодиодов. Такие группы светодиодов часто называют кластерами светодиодов, светодиодными кластерами, или просто кластерами.
  • В оптопарах, системах светодид - фотодиод, используемых для гальванической развязки электронных цепей.

Светодиодный фонарь

Светодиодный фонарь для освещения

Светофор

Светодиодный в светофор

Автомобильная фара

Светодиоды в фараx автомобиля

  • Мощные светодиоды используются в светофорах, фонарях, фарах
  • В светодиодных дорожных знаках
  • Светодиоды используются в системах передачи данных по оптоволокну, в пультах ДУ
  • В подсветке ЖК экранов мобильных телефонов, мониторов, телевизоров
  • В бытовых приборах.

История создания светодиода

Первое известное упоминание об излучении света твёрдотельным диодом датируется 1907 годом, в опытах британского исследователя Генри Раунда в лабораториях Маркони.

В 1961 году американские физики Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments запатентовали структуру полупроводникового инфракрасного светодиода.

Первый светодиод, выпускаемый в промышленных масштабах и работающий в красном световом диапазоне, изготовил в 1962 году также американец Ник Холоньяк в компании General Electric. До 1968 года светодиоды были очень дороги (до $200 за экземпляр) и имели узкое применение, когда компании Монсанто и Хьюллет-Паккард начали использовать светодиоды в бытовых приборах, калькуляторах. В 1972 году ученик Ника Холоньяка Джордж Крафорд изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и повысил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз. В 1976 году, Т.Пирсол разработал первый в мире высокоэффективный светодиод для передачи данных по оптическим линиям связи.

Вклад Российской науки в светодиодную технологию

В 1923 году, советский ученый Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории изучал возникновение свечения в области p-n-перехода.

Олег Лосев

Олег Владимирович Лосев

О.В. Лосев правильно оценил практическую ценность своего открытия, позволявшего создать источники света с низким напряжением питания, небольших размеров, твёрдотельные (безвакуумные) и с очень высоким быстродействием. Лосев получил два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) и формально закрепил за Россией приоритет в области технологии светодиодов, который был затем утрачен в 1960-гг. в связи с работами Роберта Байарда, Гари Питтмана и Ника Холоньяка, которые создали практически применимые светодиодные излучатели.