Як працює світлодіод

 

Пристрої для освітлення за допомогою світлодіодів останні роки наступають переможним маршем. На прилавках магазинів великий вибір китайських світлодіодних ліхтариків, за ціною не на багато перевищують вартість вхідних в них батарейок, які світять яскравіше і довше ніж їх аналоги з лампочками всередині. За рахунок чого світлодіод опинився в настільки виграшному становищі?

Для тих, хто не в курсі: світлодіод — це напівпровідниковий прилад, в якому електричний струм перетвориться безпосередньо в світлове випромінювання. Діод – тобто струм пропускати він здатний тільки в одному напрямку (див. статтю Як працює діод) до Речі, по-англійськи світлодіод називається light emitting diode, або LED.

Світлодіод складається з напівпровідникового кристала на струмонепровідних підкладці, корпусу з контактними виводами і оптичної системи. Для підвищення життєстійкості простір між кристалом і пластиковою лінзою заповнено прозорим силіконом. Алюмінієва основа служить для відводу надлишкового тепла. Якого, треба сказати, виділяється зовсім невелика кількість.

Світіння в напівпровідниковому кристалі виникає при рекомбінації електронів і дірок в області p-n-переходу. Область p-n-переходу, утворюється контакту двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього пріконтактной шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: по одну сторону акцепторними, по іншу — донорськими.

Щоб p-n-перехід став випромінювати світло, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, за яких рекомбінація відбувається без випромінювання. Щоб дотримати обидві умови, найчастіше одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і виробники змушені йти на виробляються багатошарових напівпровідникових структур, так званих гетероструктур.

Очевидно, що чим більший струм проходить через діод, тим він світить яскравіше, оскільки чим більше струм, тим більше електронів і дірок надходять в зону рекомбінації в одиницю часу. Однак, із-за внутрішнього опору напівпровідника і p-n-переходу діод нагрівається і при великому струмі може згоріти – розплавляться підвідні дроти чи буде перепалена сам напівпровідник.

На відміну від ламп розжарювання, електричний струм у світлодіодах перетвориться безпосередньо в світлове випромінювання, при невеликій кількості втрат на нагрівання. В результаті світлодіоди на кілька порядків більш економічні і незамінні в тих приладах, де нагрівання неприпустимо. Особливістю світлодіода є випромінювання у вузькій частині спектру. За це він полюбився дизайнерам для виготовлення світлової реклами та декорування приміщень. УФ – та ІЧ-випромінювання, як правило, у світлодіодах відсутні. Світлодіод володіє високою механічною міцністю і надійністю. Термін служби світлодіода досягає 100 тисяч годин, що майже в 100 разів більше, ніж у лампи розжарювання, і в 5 — 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод — низьковольтний електроприлад, а стало бути, безпечний.

Єдиний недолік технології – висока вартість. На даний момент ціна одного люмена, випроміненого світлодіодом, в 100 разів вище, ніж люмена випроміненого лампою розжарювання. Втім виробники прогнозують зниження цього показника в найближчі роки в 10 разів.

Світлодіоди на основі фосфіду і арсеніду галію, що випромінюють в жовто-зеленої, жовтої і червоної областях спектру були розроблені ще в 60-х – 70-х роках минулого століття. Їх застосовували в світлових індикаторах, табло, приладових панелях автомобілів і літаків, рекламних екранах, різних системах візуалізації інформації. За світловіддачі світлодіоди обігнали звичайні лампи розжарювання. По довговічності, надійності, безпеки вони теж їх перевершили. Довго не існувало світлодіодів синього, синьо-зеленого та білого кольору. Колір світлодіода залежить від ширини забороненої зони, в якій електрони і дірки рекомбінують, тобто від матеріалу напівпровідника і легуючих домішок. Ніж «синє» світлодіод, тим вище енергія квантів, а значить, тим більше повинна бути ширина забороненої зони.

Блакитні світлодіоди вдалося виготовити на основі напівпровідників з великою шириною забороненої зони — карбіду кремнію, сполук елементів II і IV групи або нітридів елементів III групи. Однак, у світлодіодів на основі SiC виявився занадто малий ККД і низький квантовий вихід випромінювання (тобто число випроменених квантів на одну рекомбіновану пару). У світлодіодів на основі твердих розчинів селеніду цинку (ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися з-за великого опору і виявилися недовговічні. Перший блакитний світлодіод вдалося виготовити на основі плівок нітриду галію на сапфіровій(!) підкладці.

Квантовий вихід — це число випроменених квантів світла на одну рекомбіновану електронно-діркову пару. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній — у самому p-n-переході, зовнішній — для приладу в цілому (адже світло може губитися «по дорозі» — поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів з хорошим тепло-відводом досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а ддя синіх — 35%. Зовнішній квантовий вихід — одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

Білий світла від світлодіодів можна отримати декількома способами. Перший — змішати кольори за технологією RGB. На одній матриці щільно розміщуються червоні, блакитні і зелені світлодіоди, випромінювання яких змішується за допомогою оптичної системи, наприклад лінзи. У результаті виходить білий світ. Другий спосіб полягає в тому, що на поверхню світлодіода, що випромінює в ультрафіолетовому діапазоні (є й такі), наноситься три люмінофора, випромінюючих, відповідно, блакитний, зелений і червоний світло. За принципом люмінесцентної лампи. Третій спосіб – це коли жовто-зелений або зелено-червоний люмінофор наноситься на блакитний світлодіод. При цьому два або три випромінювання змішуються, утворюючи білий або близький до білого світло.

У кожного способу є свої переваги і недоліки. Технологія RGB в принципі дозволяє не тільки отримати білий колір, але і переміщатися по кольоровій діаграмі при зміні струму через різні світлодіоди. Виходить цілий освітлювальний комплекс, яким можна керувати вручну або за допомогою програми. Такі ефекти широко використовуються дизайнерами та виробниками ялинкових гірлянд та аналогічних пристроїв. Крім того, велика кількість світлодіодів в матриці забезпечує високий сумарний світловий потік і велику осьову силу світла. Недоліком системи є неоднаковий колір у центрі світлової плями і по краях. Крім цього, з-за нерівномірного відведення тепла з країв матриці і з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюється їх колір в процесі старіння — сумарні колірна температура і колір «пливуть» за час експлуатації. Це неприємне явище досить складно і дорого компенсувати. Білі світлодіоди з люмінофорами істотно дешевше, ніж світлодіодні RGB-матриці (в перерахунку на одиницю світлового потоку), і дозволяють отримати гарний білий колір. Недоліки: по-перше, у них менше, ніж у RGB-матриці, світловіддача за перетворення світла в шарі люмінофора; по-друге, досить важко точно проконтролювати рівномірність нанесення люмінофора в технологічному процесі і, отже, колірну температуру; і нарешті по-третє — люмінофор теж старіє, причому швидше, ніж сам світлодіод.

Промисловість випускає як світлодіоди з люмінофором, так і RGB-матриці — у них різні області застосування. Звичайний світлодіод, який застосовується для індикації, споживає від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіод, який використовується для освітлення, споживає таку ж напругу, але струм вище — від кількох сотень мА до 1 А в проекті. У світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високим (зазвичай 12 або 24 В).

При підключенні світлодіода необхідно дотримувати полярність, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою зазвичай становить більше 5 В для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють в тілесному куті від 4 до 140 градусів. Колір, як правило, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання.

Яскравість світлодіодів регулюється не за рахунок зниження напруги живлення, а так званим методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Для цього необхідний спеціальний керуючий блок. Метод ШІМ полягає в тому, що подається на світлодіод не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна складати сотні або тисячі герц, а ширина імпульсів і пауз між ними може змінюватися. Середня яскравість світлодіода стає керованою, в той же час світлодіод не гасне.

Світлодіоди досить довговічні, однак термін служби у потужних світлодіодів коротше, ніж у малопотужних сигнальних. Втім, і він складає в даний час 20 — 50 тисяч годин. Старіння виражається в першу чергу в зменшенні яскравості і з зміною кольору.

Спектр випромінювання світлодіода близький до монохроматичному, в чому його кардинальна відмінність від спектра сонця або лампи розжарювання. Серйозних досліджень на вплив такого освітлення на зір ніколи не проводилося.