Світлодіод

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Блакитний, зелений та червоний світлодіоди
Світлодіодний вуличний світильник

Світлодіо́д (англ. LED - light-emitting diode) — напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету [1]. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, — які працюють на тому ж принципі, але можуть напрямлено випромінювати когерентне світло.

Історія[ред.ред. код]

Вперше інфрачервона емісія з напівпровідникових елементів, була зареєстрована Рубіном Браунштейном, працівником компанії Radio Corporation of America в 1955, який використовував арсенід галію (GaAs) та інші напівпровідникові сплави [2]. Але перший світлодіод, тобто прилад, що дає випромінювання на напівпровідниковому переході, при пропусканні через нього електричного струму, як і патент на нього, був отриманий працівниками компанії Texas Instruments — Бобом Б'ярдом і Гарі Пітманом, в 1961 році. Згодом, світлодіоди що працюють на GaAs та GaP (фосфід галію), почали виготовлятися комерційно — для використання в якості індикаторів. Перший світлодіод, який працює у видимому діапазоні, був розроблений групою Ніка Голоняка, в компанії General Electric, в 1962 р. [3].

проф. Нік Голоняк, група якого винайшла перший напівпровідниковий світлодіод, що працює у видимому діапазоні

Еволюція світлодіодів у 19601970-х рр., поступово привела до створення світлодіодів, що мають колір від червоного до зеленого, — постійно зсуваючи межу у сторону коротких хвиль. Іншим напрямком роботи, було підвищення ефективності світлодіодів. Найпопулярнішими матеріалами були GaP (червоний — зелений) та GaAsP (жовтий — інтенсивний червоний). При цьому з'явилося багато нових застосувань світлодіодів (у калькуляторах, цифрових годинниках, тестових приладах). Хоча надійність свілодіодів завжди перевищувала надійність ламп розжарювання, неонових ламп тощо, відсоток вибраковки ранніх пристроїв був набагато вищим. В тому було винне ручне збирання того часу. Індивідуальні оператори виконували вручну такі завдання, як розподіл епоксидної смоли, розміщення її крапельки в потрібну позицію, змішування епоксидної смоли. Це призводило до дефектів, таких, наприклад, як «витік епоксидної смоли», яка викликала підтікання, та інколи навіть скорочення p-n переходу. Окрім цього, високі числа дефектів в кристалі, підкладці і епітаксійному шарі, призводили до зменшеної ефективності і коротшої тривалості життя пристрою.

На початку 1980-х, з появою нового матеріалу — GaAlAs (галій-алюмінієвий арсенід), почалася революція у виробництві світлодіодів. GaAlAs дозволив підвищити ефективність у 10 разів, що привело до нових використань: у зовнішніх знаках та написах, зчитуванні штрих-коду, передачі даних через оптичне волокно, у медичному обладнанні. Але GaAlAs працював тільки у червоній ділянці спектру (660 нм) та мав короткий час життя (більш 50% падіння ефективності після 100 000 годин роботи). Частина цих проблем була вирішена завдяки появі лазерних діодів, які стали комерційно виготовлятися у 1980-х роках. Використання технологій, розроблених для лазерних діодів, дозволило зробити наступний стрибок виробникам світлодіодів . Однією з таких технологій, стало створення нового люмінесцентного матеріалу InGaAlP, який зробив можливим плавне настроювання кольору, за рахунок настроювання ширини забороненої зони. Так світлодіоди всіх можливих кольорів видимого спектру, почали виготовлятися за однією технологією, та значно зменшилась деградація приладів, навіть за умов високих температур та вологості.

Наступним кроком у розвитку, стала розробка компанією Toshiba методу нанесення MOCVD (метал-оксидне хімічне парове нанесення, Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), який зробив можливим створення складніший пристроїв, з ефективністю до 90% (тобто 90% електроенергії може бути перероблене на світло). В той самий час, корпорація Nichia запропонувала перші блакитні світлодіоди, працюючі на GaN (нітриді галію), InGaN (індій-галій-нітриді) та SiC (карбіді кремнію). Згодом з'явилися і перші білі світлодіоди, які комбінували три основні кольори. Але вони швидко були замінені широкосмуговими білими світлодіодами, які мають вторинний флюоресцентний шар.

Одним з кроків стало також створення «Лабораторією фундаментальних досліджень», компанії NTT, світлодіода, що випромінював хвилі в ультрафіолетовій частині спектру, завдовжки 210 нм. Випромінювання з такою короткою довжиною хвилі, знайшло широке застосування в медицині і техніці. Відомо, що невидиме для людського ока ультрафіолетове випромінювання, має знезаражуючий ефект. Окрім того, ці світлодіоди змогли замінити червоні лазерні діоди, при читанні даних з оптичних дисків, чим забезпечили подальше збільшення густини запису.

Сучасні напрямки розвитку, включають розробку органічних світлодіодів (які повинні дозволити виробництво дешевих та екологічно безпечних пристроїв), використання квантових точок (які дозволяють отримувати біле світло), та просування далі у короткохвильову область.

Принцип дії[ред.ред. код]

При протіканні через діод прямого струму відбувається інжекція електронів.

Процес самовільної рекомбінації інжектованих електронів, що відбувається, як в базовій області, так і в самому p-n переході, супроводжується їх переходом з високого енергетичного рівня на більш низький. Електрон після рекомбінації знаходиться у дуже нестабільному стані, оскільки він має зайву енергію (Евх,). В такому стані електрон довго перебувати не може. Він перейде на стаціонарну орбіту з нижчим енергетичним рівнем (Ест.) і випромінить квант світла. Тому Eкв.св. = Eнадл., Eнадл. = Евх - Ест Щоб кванти енергії – фотони, які вивільнились при рекомбінації відповідали квантам видимого світла збільшують кількість p-n переходів.

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозонні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль, — від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом, великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Застосування[ред.ред. код]

Ефективність світлодіодів найбільше проявляється там, де потрібно генерувати потужні кольорові світлові потоки (світлові сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синю, зелену). 90% енергії світлового потоку, від лампи рожарювання, втрачається, при проходженні світла через світлофільтр. Усі ж 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом і в застосуванні світлофільтра немає потреби. Більше того, близько 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання, витрачається на її нагрів, — для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна), на яку вони спроектовані.

Світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для звичайних ламп розжарювання, аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів), дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях. Світлодіоди не бояться частих вмикань і вимикань. Термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років).

Використовуючи світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовують у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла (інформаційні табло, світлофори, ліхтарики, гірлянди тощо).

Виробники[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Юнович А.Э. Светодиоды и их применение для освещения
  • Кашкаров А.П. Устройства на светодиодах и не только. -М.: ДМК Пресс, 2012. -218 с.
  • Шуберт Ф. Светодиоды /пер. с англ. под ред. Юновича А.Э. -2 изд. М.: Физматлит, 2008. -496 с.



Посилання[ред.ред. код]

Джерела інформації[ред.ред. код]

  • Використано матеріали зі статті в [Light-emitting_diode англійській Вікіпедії].
  • Використано матеріали зі статті в російській Вікіпедії.