Светодиод

Светодиод (LED)

Синие, зеленые и красные светодиоды в рассеянных корпусах 5 мм
Принцип работы	Электролюминесценция
Изобрел	HJ Round (1907) [1] Олег Лосев (1927) [2] Джеймс Р. Биард (1961) [3] Ник Холоняк (1962) [4]
Первое производство	Октябрь 1962 г.
Конфигурация контактов	Анод и катод
Электронный символ

Части обычного светодиода. Плоские нижние поверхности наковальни и стойки, встроенные в эпоксидную смолу, действуют как якоря, предотвращая принудительное вытягивание проводов из-за механической деформации или вибрации.

Увеличенное изображение светодиода для поверхностного монтажа

Современная модернизированная светодиодная лампа в форме лампы с алюминиевым радиатором , рассеивающим свет куполом и резьбовым цоколем E27 , использующая встроенный источник питания, работающий от сетевого напряжения.

Светоизлучающий диод ( СИД ) представляет собой полупроводниковый источник света , который излучает свет , когда текущие потоки через него. Электроны в полупроводнике рекомбинируют с электронными дырками , высвобождая энергию в виде фотонов . Цвет света (соответствующий энергии фотонов) определяется энергией, необходимой электронам, чтобы пересечь запрещенную зону полупроводника. ^[5] Белый свет получается за счет использования нескольких полупроводников или слоя светоизлучающего люминофора на полупроводниковом устройстве. ^[6]

Первые светодиоды, появившиеся в качестве электронных компонентов в 1962 году, излучали инфракрасный (ИК) свет низкой интенсивности . ^[7] Инфракрасные светодиоды используются в схемах дистанционного управления , например, в самых разнообразных бытовых электронных устройствах. Первые светодиоды видимого света были низкой интенсивности и ограничены красным светом. Современные светодиоды доступны в видимом , ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном диапазонах длин волн с высокой светоотдачей.

Ранние светодиоды часто использовались в качестве индикаторных ламп, заменяя небольшие лампы накаливания, а также в семисегментных дисплеях . В результате недавних разработок были созданы мощные светодиоды белого света, подходящие для освещения помещений и открытых площадок. Светодиоды привели к появлению новых дисплеев и датчиков, а их высокая скорость переключения используется в передовых коммуникационных технологиях.

Светодиоды имеют множество преимуществ перед источниками света накаливания, включая более низкое энергопотребление, более длительный срок службы, улучшенную физическую надежность, меньший размер и более быстрое переключение. Светодиоды используются в самых разных приложениях, таких как авиационное освещение , волшебные огни, автомобильные фары , реклама, общее освещение , светофоры , вспышки фотоаппаратов, светящиеся обои , садовые фонари и медицинские устройства. ^[8]

В отличие от лазера , свет, излучаемый светодиодом, не является ни спектрально когерентным, ни даже сильно монохроматическим . Однако его спектр достаточно узок, поэтому человеческому глазу он кажется чистым ( насыщенным ) цветом. ^{[9] [10]} Кроме того, в отличие от большинства лазеров, его излучение не является пространственно когерентным , поэтому оно не может приблизиться к очень высокой яркости, характерной для лазеров .

История [ править ]

Открытия и ранние устройства [ править ]

Электролюминесценция как явление было открыто в 1907 году английским экспериментатором Х. Дж. Раундом из Marconi Labs с использованием кристалла карбида кремния и детектора кошачьих усов . ^{[11] [12]} Российский изобретатель Олег Лосев сообщил о создании первого светодиода в 1927 году. ^[13] Его исследования были опубликованы в советских, немецких и британских научных журналах, но в течение нескольких десятилетий это открытие не применялось на практике. ^{[14] [15]}

В 1936 году Жорж Дестрио заметил, что электролюминесценция может возникать, когда порошок сульфида цинка (ZnS) суспендируется в изоляторе и к нему прикладывается переменное электрическое поле. В своих публикациях Дестрио часто называл люминесценцию Лосев-Лайт. Дестрио работал в лабораториях мадам Марии Кюри , которая также была пионером в области люминесценции с исследованиями радия . ^{[16] [17]}

Венгерский залив Золтан вместе с Дьёрдь Сигети превзошел светодиодное освещение в Венгрии в 1939 году, запатентовав осветительное устройство на основе SiC с опцией на карбид бора, которое излучало белый, желтовато-белый или зеленовато-белый цвет в зависимости от присутствующих примесей. ^[18]

Курт Леховек , Карл Аккардо и Эдвард Джамгочян объяснили эти первые светодиоды в 1951 году, используя устройство, в котором использовались кристаллы SiC с источником тока батареи или генератора импульсов, и сравнив их с вариантом, чистым кристаллом в 1953 году ^{[19] [ 20]}

Рубин Браунштейн ^[21] из Radio Corporation of America сообщил об инфракрасном излучении арсенида галлия (GaAs) и других полупроводниковых сплавов в 1955 году. ^[22] Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простыми диодными структурами с использованием антимонида галлия (GaSb), GaAs, индия. фосфидные (InP) и кремний-германиевые (SiGe) сплавы при комнатной температуре и 77  градусах Кельвина .

В 1957 году Браунштейн продемонстрировал, что элементарные устройства можно использовать для нерадио связи на коротких расстояниях. Как отметил Кремер ^[23] Браунштейн «… установил простую оптическую линию связи: музыка, исходящая из проигрывателя, использовалась через подходящую электронику для модуляции прямого тока диода GaAs. Излучаемый свет регистрировался диодом PbS. на расстоянии. Этот сигнал подавался на аудиоусилитель и воспроизводился через громкоговоритель. Перехват луча остановил музыку. Нам было очень весело играть с этой установкой ». Эта установка предвосхитила использование светодиодов для приложений оптической связи .

В сентябре 1961 года, работая в Texas Instruments в Далласе , штат Техас , Джеймс Р. Биард и Гэри Питтман обнаружили излучение света в ближней инфракрасной области (900 нм) туннельного диода, который они построили на подложке из GaAs. ^[7] К октябрю 1961 года они продемонстрировали эффективное излучение света и связь сигналов между излучателем света на pn-переходе GaAs и электрически изолированным полупроводниковым фотодетектором. ^[24] 8 августа 1962 года Биард и Питтман подали патент под названием «Полупроводниковый излучающий диод», основанный на своих открытиях, в котором описывался светодиод на p – n переходе с цинкованием и разнесенным катодом.контакт, чтобы обеспечить эффективное излучение инфракрасного света при прямом смещении . После определения приоритета своей работы на основе инженерных записных книжек, предшествовавших представлению GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs и Lincoln Lab в Массачусетском технологическом институте , патентное бюро США выдало двум изобретателям патент на инфракрасный свет GaAs. излучающий диод (патент США US3293513 ), первый практический светодиод. ^[7] Сразу после подачи патента Texas Instruments.(TI) начали проект по производству инфракрасных диодов. В октябре 1962 года TI анонсировала первый коммерческий светодиодный продукт (SNX-100), в котором использовался чистый кристалл GaAs для излучения светового потока 890 нм. ^[7] В октябре 1963 года TI анонсировала первый коммерческий полусферический светодиод - SNX-110. ^[25]

Первый светодиод видимого спектра (красный) был продемонстрирован Ником Холоньяком-младшим 9 октября 1962 года, когда он работал в General Electric в Сиракузах, штат Нью-Йорк . ^[26] Холоньяк и Беваква сообщили об этом светодиоде в журнале Applied Physics Letters 1 декабря 1962 года. ^{[27] [28]} М. Джордж Крэфорд , ^[29] бывший аспирант Холоньяка, изобрел первый желтый светодиод и улучшил его. Яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 1972 году увеличилась в десять раз ^[30]В 1976 году компания TP Pearsall разработала первые высокоэффективные светодиоды высокой яркости для оптоволоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые материалы, специально адаптированные к длинам волн оптического волокна. ^[31]

Начальная коммерческая разработка [ править ]

Первые коммерческие светодиоды видимого длины волны обычно использовались в качестве замены для ламп накаливания и индикаторные неоновые лампы , а в дисплеях семисегментных , ^[32] первый в дорогостоящем оборудовании , таких как лаборатории и электроники испытательного оборудования, а потом в таких приборах , как калькуляторы, телевизоры , радиоприемники, телефоны, а также часы (см. список использования сигналов ). До 1968 года светодиоды видимого и инфракрасного диапазона были чрезвычайно дорогими, порядка 200 долларов США за единицу, и поэтому не имели практического применения. ^[33]

Компания Hewlett-Packard (HP) занималась исследованиями и разработками (НИОКР) практических светодиодов в период с 1962 по 1968 год исследовательской группой под руководством Говарда К. Бордена, Джеральда П. Пигини и Мохамеда М. Аталлы из HP Associates и HP Labs . ^[34] В это время Аталла запустила программу исследований в области материаловедения на арсениде галлия (GaAs), арсенид-фосфиде галлия (GaAsP) и арсениде индия (InAs) в HP, ^[35] и они сотрудничали с компанией Monsanto в разработке первого пригодные к употреблению светодиодные продукты. ^[36] Первыми светодиодными продуктами, которые можно было использовать, были светодиодные дисплеи HP.и светодиодные индикаторные лампы Monsanto , выпущенные в 1968 году. ^[36] Monsanto была первой организацией, которая начала массовое производство видимых светодиодов, используя GaAsP в 1968 году для производства красных светодиодов, подходящих для индикаторов. ^[33] Monsanto ранее предлагала поставлять HP с GaAsP, но HP решила вырастить собственный GaAsP. ^[33] В феврале 1969 года компания Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP модели 5082-7000, первое светодиодное устройство, в котором использовалась технология интегральной схемы (Integrated LED circuit ). ^[34] Это был первый интеллектуальный светодиодный дисплей, который произвел революцию в технологии цифровых дисплеев , заменив лампу Nixie.и стать основой для более поздних светодиодных дисплеев. ^[37]

Аталла покинул HP и присоединился к Fairchild Semiconductor в 1969 году. ^[38] Он был вице-президентом и генеральным менеджером подразделения СВЧ и оптоэлектроники ^[39] с момента его основания в мае 1969 года до ноября 1971 года. ^[40] Он продолжал свою работу над Светодиоды, предполагающие, что они могут быть использованы для индикаторов и оптических считывателей в 1971 году. ^[41] В 1970-х годах коммерчески успешные светодиодные устройства стоимостью менее пяти центов каждое производились Fairchild Optoelectronics. В этих устройствах использовались составные полупроводниковые чипы, изготовленные с помощью планарного процесса (разработанный Джин Хорни , ^{[42][43] на} основеметода пассивации поверхности Аталлы ^{[44] [45]} ). Комбинация планарной обработки для изготовления микросхем и инновационныхметодов упаковки позволила команде Fairchild во главе с пионером оптоэлектроники Томасом Брандтом добиться необходимого снижения затрат. ^[46] Производители светодиодов продолжают использовать эти методы. ^[47]

Первые красные светодиоды были достаточно яркими только для использования в качестве индикаторов, поскольку светового потока было недостаточно для освещения области. Показания в калькуляторах были настолько маленькими, что над каждой цифрой были прикреплены пластиковые линзы, чтобы сделать их удобочитаемыми. Позже другие цвета стали широко доступны и появились в бытовой технике и оборудовании.

Ранние светодиоды были упакованы в металлические корпуса, похожие на корпуса транзисторов, со стеклянным окном или линзой, чтобы пропускать свет. Современные индикаторные светодиоды упакованы в прозрачные формованные пластиковые корпуса, трубчатые или прямоугольные по форме и часто тонированы в цвет устройства. Инфракрасные устройства можно красить, чтобы блокировать видимый свет. Более сложные корпуса адаптированы для эффективного отвода тепла в мощных светодиодах . Накладные светодиоды еще больше уменьшают размер корпуса. Светодиоды, предназначенные для использования с оптоволоконными кабелями, могут иметь оптический разъем.

Синий светодиод [ править ]

Первый сине-фиолетовый светодиод с использованием нитрида галлия, легированного магнием, был создан в Стэнфордском университете в 1972 году докторантами в области материаловедения и инженерии Хербом Маруска и Уолли Райнсом. ^{[48] [49]} В то время Маруска был в отпуске из RCA Laboratories , где он сотрудничал с Жаком Панковым в соответствующей работе. В 1971 году, через год после отъезда Маруски в Стэнфорд, его коллеги из RCA Панков и Эд Миллер продемонстрировали первую синюю электролюминесценцию от легированного цинком нитрида галлия, хотя последующее устройство, созданное Панковом и Миллером, первый настоящий светодиод из нитрида галлия, излучало свет. зеленый свет. ^{[50] [51]} В 1974 г. Патентное ведомство СШАприсудил Маруске, Рейнсу и профессору Стэнфорда Дэвиду Стивенсону патент на их работу в 1972 году (патент США US3819974 A ). Сегодня легирование нитрида галлия магнием остается основой для всех коммерческих синих светодиодов и лазерных диодов . В начале 1970-х годов эти устройства были слишком тусклыми для практического использования, и исследования устройств из нитрида галлия замедлились.

В августе 1989 года Cree представила первый коммерчески доступный синий светодиод на основе полупроводника с непрямой запрещенной зоной , карбида кремния (SiC). ^[52] SiC светодиоды имели очень низкий КПД, не более 0,03%, но излучали в синей части спектра видимого света. ^{[53] [54]}

В конце 1980-х ключевые достижения в области эпитаксиального роста GaN и легирования p-типа ^[55] открыли современную эру оптоэлектронных устройств на основе GaN. Основываясь на этом фундаменте, Теодор Мустакас из Бостонского университета в 1991 году запатентовал метод производства синих светодиодов высокой яркости с использованием нового двухэтапного процесса ^[56].

Два года спустя, в 1993 году, Сюдзи Накамура из Nichia Corporation продемонстрировал синие светодиоды высокой яркости с использованием процесса выращивания нитрида галлия. ^{[57] [58] [59]} Параллельно Исаму Акасаки и Хироши Амано в Нагое работали над разработкой важного метода осаждения GaN на сапфировые подложки и демонстрацией легирования GaN p-типа . Эта новая разработка произвела революцию в светодиодном освещении, сделав практичные источники синего света высокой мощности , что привело к развитию таких технологий, как Blu-ray ^{[ необходима цитата ]} .

Накамура был удостоен Премии тысячелетия 2006 года за свое изобретение. ^[60] Накамура, Хироши Амано и Исаму Акасаки были удостоены Нобелевской премии по физике в 2014 году за изобретение синего светодиода. ^[61] В 2015 году суд США постановил, что три компании нарушили предыдущий патент Мустакаса, и обязал их уплатить лицензионные сборы в размере не менее 13 миллионов долларов США. ^[62]

В 1995 году Альберто Барбьери из лаборатории Кардиффского университета (Великобритания) исследовал эффективность и надежность светодиодов высокой яркости и продемонстрировал светодиод с «прозрачным контактом» с использованием оксида индия и олова (ITO) на (AlGaInP / GaAs).

В 2001 г. ^[63] и 2002 г. ^[64] были успешно продемонстрированы процессы выращивания светодиодов из нитрида галлия (GaN) на кремнии . В январе 2012 года компания Osram продемонстрировала мощные светодиоды InGaN, выращенные на кремниевых подложках в промышленных масштабах ^[65], а светодиоды на основе GaN на кремнии производятся в Plessey Semiconductors . По состоянию на 2017 год некоторые производители используют SiC в качестве подложки для производства светодиодов, но сапфир является более распространенным, поскольку он имеет наиболее похожие свойства со свойствами нитрида галлия, что снижает потребность в нанесении рисунка на сапфировую пластину (пластины с рисунком известны как epi вафли). Samsung , Кембриджский университет иToshiba проводит исследования GaN на Si-светодиодах. Toshiba прекратила исследования, возможно, из-за низкой урожайности. ^{[66] [67] [68] [69] [70] [71] [72]} Некоторые предпочитают эпитаксию, которая затруднена на кремнии , в то время как другие, например, Кембриджский университет, предпочитают многослойную структуру в чтобы уменьшить рассогласование (кристаллической) решетки и различные коэффициенты теплового расширения, чтобы избежать растрескивания светодиодного чипа при высоких температурах (например, во время производства), уменьшить тепловыделение и повысить светоотдачу. Эпитаксия (или узорчатый сапфир) может осуществляться с помощью литографии наноимпринта . ^{[73] [74] [75] [76][77] [78] [79]}

GaN-на-Si желателен, поскольку он использует преимущества существующей инфраструктуры производства полупроводников, однако этого трудно достичь. Это также позволяет упаковывать светодиодные матрицы на уровне пластины, что приводит к очень маленьким светодиодным корпусам. ^[80]

GaN , часто осаждают с использованием металлоорганических газофазной эпитаксии (MOCVD), и он также использует лифт-офф .

Белые светодиоды и прорыв в освещении [ править ]

Несмотря на то, что белый свет может быть создан с использованием отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, это приводит к плохой цветопередаче, поскольку излучаются только три узкие полосы длин волн света. За достижением высокоэффективных синих светодиодов быстро последовала разработка первого белого светодиода . В этом устройстве Y
₃Al
₅О
₁₂: Ce (известный как " YAG " или Ce: YAG люминофор) покрытие люминофора, легированного церием, дает желтый свет за счет флуоресценции . Комбинация этого желтого с оставшимся синим светом кажется глазам белой. Использование разных люминофоров дает зеленый и красный свет за счет флуоресценции. Полученная смесь красного, зеленого и синего цветов воспринимается как белый свет с улучшенной цветопередачей по сравнению с длинами волн комбинации синего светодиода / YAG-люминофора. ^{[ необходима цитата ]}

Первые белые светодиоды были дорогими и неэффективными. Однако световой поток светодиодов увеличился в геометрической прогрессии . Последние исследования и разработки распространяются японскими производителями, такими как Panasonic и Nichia , а также корейскими и китайскими производителями, такими как Samsung , Kingsun и другими. Эта тенденция к увеличению производства была названа законом Хайца в честь Роланда Хайца. ^[81]

Светоотдача и эффективность синих и ближних ультрафиолетовых светодиодов выросли, а стоимость надежных устройств упала. Это привело к появлению относительно мощных светодиодов белого света для освещения, которые заменяют лампы накаливания и люминесцентные лампы. ^{[82] [83]}

В 2014 году были продемонстрированы экспериментальные белые светодиоды с производительностью 303 люмен на ватт электроэнергии (лм / Вт); некоторые могут длиться до 100 000 часов. ^{[84] [85]} Однако коммерчески доступные светодиоды имеют эффективность до 223 лм / Вт по состоянию на 2018 год. ^{[86] [87] [88]} Предыдущий рекорд в 135 лм / Вт был достигнут Nichia в 2010 году. ^{[ 89]} По сравнению с лампами накаливания, это огромный рост электрического КПД, и, хотя светодиоды дороже в покупке, общая стоимость срока службы значительно ниже, чем у ламп накаливания. ^[90]

Светодиодный чип заключен в небольшую пластиковую белую форму. Он может быть инкапсулирован с использованием смолы (на основе полиуретана ), силикона или эпоксидного (порошкового) YAG-люминофора, легированного церием. После того, как растворители испарились, светодиоды часто тестируются и помещаются на ленты для установки SMT оборудования для использования в производстве светодиодных ламп. Инкапсуляция выполняется после зондирования, нарезания кубиками, переноса кристалла с пластины на корпус и соединения проводов или установки перевернутого кристалла, возможно, с использованием оксида индия и олова., прозрачный электрический проводник. В этом случае соединительный провод (и) прикрепляется к пленке ITO, которая нанесена на светодиоды. Некоторые светодиодные лампы с «удаленным люминофором» используют одну пластиковую крышку с люминофором YAG для нескольких синих светодиодов вместо использования люминофорного покрытия на однокристальных белых светодиодах. ^[91]

Температура люминофора во время работы и способ ее нанесения ограничивают размер кристалла светодиода. Белые светодиоды в корпусе на уровне пластины позволяют использовать светодиоды очень маленького размера. ^[80]

Физика образования и излучения света [ править ]

В светоизлучающем диоде рекомбинация электронов и электронных дырок в полупроводнике производит свет (будь то инфракрасный, видимый или УФ) - процесс, называемый « электролюминесценцией ». Длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны используемых полупроводников. Поскольку эти материалы имеют высокий показатель преломления, для эффективного излучения света требуются такие конструктивные особенности устройств, как специальные оптические покрытия и форма кристалла. ^[92]

Цвета [ править ]

Путем выбора различных полупроводниковых материалов можно создать одноцветные светодиоды, которые излучают свет в узком диапазоне длин волн от ближнего инфракрасного через видимый спектр и до ультрафиолетового диапазона. По мере того, как длины волн становятся короче, из-за большей ширины запрещенной зоны этих полупроводников рабочее напряжение светодиода увеличивается.

Синий и ультрафиолетовый [ править ]

Внешнее видео
«Оригинальный синий светодиод» , Институт истории науки

Синие светодиоды имеют активную область, состоящую из одной или нескольких квантовых ям InGaN, зажатых между более толстыми слоями GaN, называемыми слоями оболочки. Изменяя относительную долю In / Ga в квантовых ямах InGaN, теоретически можно изменять световое излучение от фиолетового до янтарного.

Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) с различной долей Al / Ga может быть использован для изготовления слоев оболочки и квантовых ям для ультрафиолетовых светодиодов, но эти устройства еще не достигли уровня эффективности и технологической зрелости синих / зеленых устройств InGaN / GaN. Если в этом случае для формирования активных слоев квантовых ям используется нелегированный GaN, устройство излучает свет, близкий к ультрафиолетовому, с максимальной длиной волны около 365 нм. Зеленые светодиоды, изготовленные из системы InGaN / GaN, намного эффективнее и ярче, чем зеленые светодиоды, произведенные из систем из ненитридных материалов, но практические устройства по-прежнему демонстрируют слишком низкую эффективность для приложений с высокой яркостью. ^{[ необходима цитата ]}

С помощью AlGaN и AlGaInN достигаются даже более короткие длины волн. Излучатели ближнего УФ диапазона с длинами волн около 360–395 нм уже дешевы и часто встречаются, например, в качестве замены лампы черного света для проверки защищенных от подделки водяных знаков УФ-излучения на документах и ​​банкнотах, а также для УФ-отверждения . На рынке имеются значительно более дорогие коротковолновые диоды для длин волн вплоть до 240 нм. ^[93] Поскольку светочувствительность микроорганизмов приблизительно соответствует спектру поглощения ДНК, с пиком около 260 нм, УФ-светодиоды, излучающие на длине волны 250–270 нм, ожидаются в перспективных устройствах для дезинфекции и стерилизации. Недавние исследования показали, что имеющиеся в продаже светодиоды UVA (365 нм) уже являются эффективными устройствами для дезинфекции и стерилизации. ^[94] Длины волн УФ-С были получены в лабораториях с использованием нитрида алюминия (210 нм), ^[95] нитрида бора (215 нм) ^{[96] [97]} и алмаза (235 нм). ^[98]

Белый [ править ]

Есть два основных способа производства белых светодиодов. Один из них - использовать отдельные светодиоды, которые излучают три основных цвета - красный, зеленый и синий, - а затем смешивать все цвета для образования белого света. Другой - использовать люминофор для преобразования монохроматического света синего или УФ-светодиода в белый свет широкого спектра, аналогичный люминесцентной лампе . Желтый люминофор представляет собой легированные церием кристаллы YAG, подвешенные в корпусе или нанесенные на светодиод. Этот люминофор из YAG заставляет белые светодиоды казаться желтыми, когда они выключены, а пространство между кристаллами позволяет проходить синему свету в светодиодах с частичным преобразованием люминофора. В качестве альтернативы белые светодиоды могут использовать другие люминофоры, такие как марганец (IV).фторсиликат калия (PFS) или другие технические люминофоры. PFS способствует генерации красного света и используется вместе с обычным люминофором Ce: YAG. В светодиодах с люминофором PFS часть синего света проходит через люминофор, люминофор Ce: YAG преобразует синий свет в зеленый и красный (желтый) свет, а люминофор PFS преобразует синий свет в красный свет. Цвет, спектр излучения или цветовую температуру светодиодов, преобразованных в белый люминофор, и светодиодов, преобразованных в другой люминофор, можно контролировать, изменяя концентрацию нескольких люминофоров, которые образуют смесь люминофоров, используемых в корпусе светодиодов. ^{[99] [100] [101] [102]}

«Белизна» излучаемого света рассчитана на человеческий глаз. Из-за метамерии могут быть совершенно разные спектры, которые кажутся белыми. Внешний вид объектов, освещаемых этим светом, может изменяться в зависимости от спектра. Это вопрос цветопередачи, совершенно отдельный от цветовой температуры. Оранжевый или голубой объект может выглядеть не того цвета и быть намного темнее, поскольку светодиод или люминофор не излучает волну той длины, которую он отражает. В светодиодах с наилучшей цветопередачей используется смесь люминофоров, что приводит к меньшей эффективности и лучшей цветопередаче. ^{[ необходима цитата ]}

Системы RGB [ править ]

Для смешивания красного, зеленого и синего источников для получения белого света необходимы электронные схемы для управления смешиванием цветов. Поскольку светодиоды имеют немного разные схемы излучения, цветовой баланс может меняться в зависимости от угла обзора, даже если источники RGB находятся в одном корпусе, поэтому диоды RGB редко используются для создания белого освещения. Тем не менее, этот метод имеет множество применений из-за гибкости смешивания разных цветов ^[103], и, в принципе, этот механизм также имеет более высокую квантовую эффективность при получении белого света. ^[104]

Существует несколько типов многоцветных белых светодиодов: ди- , трех- и тетрахроматические белые светодиоды. Несколько ключевых факторов, влияющих на эти различные методы, включают стабильность цвета, способность цветопередачи и световую отдачу. Часто более высокая эффективность означает более низкую цветопередачу, представляя компромисс между светоотдачей и цветопередачей. Например, дихроматические белые светодиоды имеют лучшую светоотдачу (120 лм / Вт), но самую низкую способность к цветопередаче. Хотя тетрахроматические белые светодиоды обладают превосходной цветопередачей, они часто имеют низкую светоотдачу. Между ними находятся трихроматические белые светодиоды, обладающие как хорошей светоотдачей (> 70 лм / Вт), так и хорошей цветопередачей. ^{[цитата необходима ]}

Одна из проблем - разработка более эффективных зеленых светодиодов. Теоретический максимум для зеленых светодиодов составляет 683 люмен на ватт, но по состоянию на 2010 год несколько зеленых светодиодов превышают даже 100 люмен на ватт. Синий и красный светодиоды приближаются к теоретическим пределам. ^{[ необходима цитата ]}

Многоцветные светодиоды также предлагают новый способ формирования света разных цветов. Наиболее различимые цвета можно получить, смешав разное количество трех основных цветов. Это позволяет точно контролировать динамический цвет. Однако мощность излучения этого типа светодиодов экспоненциально спадает с ростом температуры ^{[105], что} приводит к существенному изменению стабильности цвета. Такие проблемы препятствуют промышленному использованию. Многоцветные светодиоды без люминофоров не могут обеспечить хорошую цветопередачу, потому что каждый светодиод является узкополосным источником. Светодиоды без люминофора, хотя и являются более плохим решением для общего освещения, являются лучшим решением для дисплеев с подсветкой ЖК-дисплея или пикселей на основе светодиодов.

Регулировка яркости многоцветного светодиодного источника для соответствия характеристикам ламп накаливания является сложной задачей, поскольку производственные вариации, возраст и температура изменяют фактическое значение цвета. Для имитации появления затемнения ламп накаливания может потребоваться система обратной связи с датчиком цвета для активного мониторинга и управления цветом. ^[106]

Светодиоды на основе люминофора [ править ]

Этот метод включает покрытие светодиодами одного цвета (в основном синие светодиоды из InGaN ) люминофором разных цветов для формирования белого света; Полученные светодиоды называются белыми светодиодами на основе люминофора или светодиодами с преобразованием люминофора (pcLED). ^[107] Часть синего света претерпевает стоксов сдвиг, который преобразует его из более коротких волн в более длинные. В зависимости от исходного цвета светодиода используются различные цветные люминофоры. Использование нескольких слоев люминофора с разными цветами расширяет излучаемый спектр, эффективно повышая индекс цветопередачи (CRI). ^[108]

Светодиоды на основе люминофора имеют потери эффективности из-за потерь тепла из-за стоксова сдвига, а также других проблем, связанных с люминофором. Их световая эффективность по сравнению с обычными светодиодами зависит от спектрального распределения результирующего светового потока и исходной длины волны самого светодиода. Например, световая эффективность типичного белого светодиода на основе желтого люминофора YAG составляет от 3 до 5 раз больше световой отдачи исходного синего светодиода из-за большей чувствительности человеческого глаза к желтому, чем к синему (как моделируется в функции яркости). Из-за простоты изготовления люминофорный метод по-прежнему остается самым популярным методом изготовления белых светодиодов высокой интенсивности. Разработка и производство источника света или осветительной арматуры с использованием монохромного излучателя с люминофорным преобразованием проще и дешевле, чем сложная система RGB , и большинство высокоинтенсивных белых светодиодов, представленных в настоящее время на рынке, производятся с использованием преобразования люминофорного света. ^{[ необходима цитата ]}

Одной из задач, стоящих перед повышением эффективности источников белого света на основе светодиодов, является разработка более эффективных люминофоров. По состоянию на 2010 г. наиболее эффективным желтым люминофором по-прежнему является люминофор YAG с потерями на стоксовом сдвиге менее 10%. Потери, связанные с внутренними оптическими потерями из-за повторного поглощения в светодиодном чипе и в самой светодиодной упаковке, обычно составляют еще от 10% до 30% потери эффективности. В настоящее время в области разработки люминофорных светодиодов много усилий затрачивается на оптимизацию этих устройств для повышения светоотдачи и рабочих температур. Например, эффективность может быть повышена за счет адаптации лучшей конструкции корпуса или использования люминофора более подходящего типа. Процесс конформного покрытия часто используется для решения проблемы различной толщины люминофора. ^{[цитата необходима ]}

Некоторые белые светодиоды на основе люминофора инкапсулируют синие светодиоды InGaN внутри эпоксидной смолы с люминофорным покрытием. В качестве альтернативы, светодиод может быть соединен с удаленным люминофором, предварительно отформованным элементом из поликарбоната, покрытым люминофорным материалом. Удаленные люминофоры обеспечивают более рассеянный свет, что желательно для многих приложений. Конструкции с выносным люминофором также более терпимы к изменениям в спектре излучения светодиодов. Общий желтый люминофор материал церий - легированный иттрий - алюминиевый гранат (Се ³⁺ : YAG). ^{[ необходима цитата ]}

Белые светодиоды также могут быть изготовлены путем покрытия светодиодов, близких к ультрафиолетовому (NUV), смесью высокоэффективных люминофоров на основе европия, которые излучают красный и синий, а также сульфида цинка, легированного медью и алюминием (ZnS: Cu, Al), который излучает зеленый цвет. . Это метод, аналогичный тому, как работают люминесцентные лампы . Этот метод менее эффективен, чем синие светодиоды с люминофором YAG: Ce, поскольку стоксов сдвиг больше, поэтому больше энергии преобразуется в тепло, но дает свет с лучшими спектральными характеристиками, которые лучше передают цвет. Из-за более высокой мощности излучения ультрафиолетовых светодиодов, чем синих, оба метода обеспечивают сопоставимую яркость. Беспокойство вызывает то, что УФ-свет может выходить из неисправного источника света и причинять вред человеческим глазам или коже. ^{[цитата необходима ]}

Другие белые светодиоды [ править ]

Другой метод, используемый для создания экспериментальных светодиодов белого света, вообще не использовал люминофор и был основан на гомоэпитаксиально выращенном селениде цинка (ZnSe) на подложке из ZnSe, который одновременно излучал синий свет из своей активной области и желтый свет из подложки. ^[109]

Новый тип пластин, состоящих из нитрида галлия на кремнии (GaN-on-Si), используется для производства белых светодиодов с использованием кремниевых пластин диаметром 200 мм. Это позволяет избежать использования типичной дорогостоящей сапфировой подложки с относительно небольшими пластинами размером 100 или 150 мм. ^[110] Сапфировое устройство должно быть соединено с зеркальным коллектором, чтобы отражать свет, который в противном случае был бы потрачен впустую. Было предсказано, что с 2020 года 40% всех светодиодов на основе GaN производятся из GaN-на-Si. Производство большого сапфира затруднено, в то время как большой кремний дешевле и более распространен. Светодиодные компании, переходящие с сапфира на кремний, требуют минимальных инвестиций. ^[111]

Органические светодиоды (OLED) [ править ]

В органическом светоизлучающем диоде ( OLED ) электролюминесцентный материал, составляющий эмиссионный слой диода, представляет собой органическое соединение . Органический материал является электропроводящим из - за делокализации из пи электронов , вызванных конъюгацией над всеми или частью молекулы, и поэтому материал функционирует как органический полупроводник . ^[112] Органические материалы могут быть небольшими органическими молекулами в кристаллической фазе или полимерами . ^[113]

Потенциальные преимущества OLED включают тонкие недорогие дисплеи с низким напряжением питания, широким углом обзора, высокой контрастностью и цветовой гаммой . ^[114] Полимерные светодиоды имеют дополнительное преимущество в виде гибких дисплеев с возможностью печати . ^{[115] [116] [117]} OLED-светодиоды использовались для создания визуальных дисплеев для портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, цифровые камеры, освещение и телевизоры. ^{[113] [114]}

Типы [ править ]

Светодиоды производятся в разных корпусах для разных применений. Один или несколько светодиодных переходов могут быть упакованы в одно миниатюрное устройство для использования в качестве индикатора или контрольной лампы. Светодиодная матрица может включать в себя схемы управления в одном корпусе, которые могут варьироваться от простого резистора, управления миганием или изменением цвета до адресуемого контроллера для устройств RGB. Белоизлучающие устройства повышенной мощности будут установлены на радиаторах и будут использоваться для освещения. Широко доступны буквенно-цифровые дисплеи в матричном или линейном формате. Специальные пакеты позволяют подключать светодиоды к оптическим волокнам для высокоскоростных каналов передачи данных.

Миниатюра [ править ]

В основном это одинарные светодиоды, используемые в качестве индикаторов, и они бывают разных размеров от 2 мм до 8 мм, в корпусах для сквозных отверстий и для поверхностного монтажа . ^[118] Типичный диапазон значений тока составляет от 1 мА до более 20 мА. Несколько светодиодных матриц, прикрепленных к гибкой подкладочной ленте, образуют светодиодную ленту . ^{[ необходима цитата ]}

Распространенные формы упаковки включают в себя круглую с куполообразной или плоской вершиной, прямоугольную с плоской вершиной (как используется в дисплеях с гистограммой) и треугольную или квадратную с плоской вершиной. Инкапсуляция также может быть прозрачной или тонированной для улучшения контраста и угла обзора. Инфракрасные устройства могут иметь черный оттенок, чтобы блокировать видимый свет при прохождении инфракрасного излучения. ^{[ необходима цитата ]}

Светодиоды сверхвысокой мощности предназначены для просмотра под прямыми солнечными лучами. ^{[ необходима цитата ]}

Светодиоды 5 В и 12 В - это обычные миниатюрные светодиоды, которые имеют последовательный резистор для прямого подключения к источнику питания 5  В или 12  В. ^{[ необходима цитата ]}

Высокая мощность [ править ]

Мощные светодиоды (HP-светодиоды) или светодиоды с высокой выходной мощностью (HO-светодиоды) могут работать при токах от сотен мА до более ампера, по сравнению с десятками мА для других светодиодов. Некоторые из них могут излучать более тысячи люмен. ^{[119] [120]} Достигнута плотность мощности светодиодов до 300 Вт / см ² . Поскольку перегрев разрушителен, светодиоды HP должны быть установлены на радиаторе, чтобы обеспечить рассеивание тепла. Если тепло от HP-светодиода не снимается, устройство выходит из строя в считанные секунды. Один HP-LED часто может заменить лампу накаливания в фонарике или быть установлен в массив, чтобы сформировать мощную светодиодную лампу .

Некоторыми хорошо известными светодиодами HP в этой категории являются серия Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon и Cree X-lamp. По состоянию на сентябрь 2009 года некоторые светодиоды HP, производимые Cree, теперь превышают 105 лм / Вт. ^[121]

Примерами закона Хайтца, который предсказывает экспоненциальный рост светоотдачи и эффективности светодиодов с течением времени, являются светодиоды серии CREE XP-G, которые достигли 105  лм / Вт в 2009 году ^[121], и серия Nichia 19 с типичной эффективностью 140  лм / Вт, выпущен в 2010 году. ^[122]

С приводом от переменного тока [ править ]

Светодиоды, разработанные Seoul Semiconductor, могут работать от сети переменного тока без преобразователя постоянного тока. Для каждого полупериода часть светодиода излучает свет, а часть темная, и в течение следующего полупериода это меняется на противоположное. Эффективность этого типа HP-LED обычно составляет 40  лм / Вт. ^[123] Большое количество последовательно соединенных светодиодных элементов может работать непосредственно от сетевого напряжения. В 2009 году компания Seoul Semiconductor выпустила высоковольтный светодиод постоянного тока под названием «Acrich MJT», который может работать от сети переменного тока с помощью простой схемы управления. Низкое энергопотребление этих светодиодов обеспечивает им большую гибкость, чем исходная конструкция светодиодов переменного тока. ^[124]

Варианты для конкретного приложения [ править ]

Мигает [ редактировать ]

Мигающие светодиоды используются в качестве индикаторов, привлекающих внимание, без использования внешней электроники. Мигающие светодиоды напоминают стандартные светодиоды, но они содержат встроенный регулятор напряжения и схему мультивибратора , которая заставляет светодиод мигать с типичным периодом в одну секунду. В светодиодах с рассеянными линзами эта цепь видна в виде маленькой черной точки. Большинство мигающих светодиодов излучают свет одного цвета, но более сложные устройства могут мигать между несколькими цветами и даже плавно переходить в последовательность цветов, используя смешение цветов RGB.

Двухцветный [ править ]

Двухцветные светодиоды содержат два разных светодиодных излучателя в одном корпусе. Их бывает два типа. Один тип состоит из двух матриц, подключенных к одним и тем же двум выводам антипараллельно друг другу. Ток в одном направлении излучает один цвет, а ток в противоположном направлении излучает другой цвет. Другой тип состоит из двух матриц с отдельными выводами для обоих матриц и другого вывода для общего анода или катода, так что ими можно управлять независимо. Наиболее распространенной двухцветной комбинацией является красный / традиционный зеленый, однако другие доступные комбинации включают янтарный / традиционный зеленый, красный / чистый зеленый, красный / синий и синий / чистый зеленый.

Трехцветный RGB [ править ]

Трехцветные светодиоды содержат три разных светодиодных излучателя в одном корпусе. Каждый излучатель подключается к отдельному проводу, поэтому ими можно управлять независимо. Типично четырехпроводная схема с одним общим выводом (анодом или катодом) и дополнительным выводом для каждого цвета. Другие, однако, имеют только два вывода (положительный и отрицательный) и имеют встроенный электронный контроллер.

Светодиоды RGB состоят из одного красного, одного зеленого и одного синего светодиода. ^[125] Путем независимой регулировки каждого из трех светодиодов RGB можно получить широкую цветовую гамму. Однако, в отличие от светодиодов с выделенными цветами, они не излучают чистую длину волны. Модули не могут быть оптимизированы для плавного смешения цветов.

Декоративно-многоцветный [ править ]

Декоративно-многоцветные светодиоды включают в себя несколько излучателей разных цветов, которые питаются всего двумя выводами. Цвета переключаются внутри, изменяя напряжение питания.

Буквенно-цифровой [ править ]

Алфавитно-цифровые светодиоды доступны в семисегментном , звездообразном и точечно-матричном форматах. Семисегментные дисплеи обрабатывают все числа и ограниченный набор букв. Дисплеи Starburst могут отображать все буквы. В точечно-матричных дисплеях обычно используется размер 5 × 7 пикселей на символ. Семисегментные светодиодные дисплеи широко использовались в 1970-х и 1980-х годах, но растущее использование жидкокристаллических дисплеев с их более низким потреблением энергии и большей гибкостью дисплеев привело к снижению популярности цифровых и буквенно-цифровых светодиодных дисплеев.

Цифровой RGB [ править ]

Цифровые адресуемые светодиоды RGB содержат собственную «умную» управляющую электронику. В дополнение к питанию и заземлению они обеспечивают соединения для ввода и вывода данных, синхронизации и иногда стробоскопического сигнала. Они соединены в гирляндную цепь . Данные, отправленные на первый светодиод в цепочке, могут управлять яркостью и цветом каждого светодиода независимо от других. Они используются там, где требуется сочетание максимального контроля и минимума видимой электроники, например, рождественских ниток и светодиодных матриц. Некоторые даже имеют частоту обновления в диапазоне кГц, что позволяет использовать базовые видеоприложения. Эти устройства известны своим номером детали (обычно WS2812) или торговой маркой, например NeoPixel .

Нить [ править ]

LED нить накал состоит из нескольких чипов светодиодов , соединенных последовательно на общую продольную подложке , которая образует тонкий стержень напоминает традиционную нить накала. ^[126] Они используются в качестве недорогой декоративной альтернативы традиционным лампам накаливания, которые во многих странах постепенно прекращаются. В нити накала используется довольно высокое напряжение, что позволяет им эффективно работать с сетевым напряжением. Часто простой выпрямитель и ограничение емкостного тока используются для создания недорогой замены традиционной лампочки без сложного низковольтного сильноточного преобразователя, в котором нуждаются светодиоды с одной матрицей. ^[127] Обычно они упакованы в колбы, аналогичные лампам, для замены которых они были разработаны, и заполнены инертным газом для эффективного отвода тепла.

Чип-на-плате массивы [ править ]

Светодиоды для поверхностного монтажа часто производятся в виде массивов микросхем на плате (COB), что обеспечивает лучший отвод тепла, чем один светодиод с сопоставимой светоотдачей. ^[128] Светодиоды могут быть расположены вокруг цилиндра и называются «фонариками из кукурузных початков» из-за рядов желтых светодиодов. ^[129]

Рекомендации по использованию [ править ]

Источники питания [ править ]

Ток в светодиоде или других диодах экспоненциально растет с приложенным напряжением (см. Уравнение для диода Шокли ), поэтому небольшое изменение напряжения может вызвать большое изменение тока. Ток через светодиод должен регулироваться внешней цепью, например источником постоянного тока, чтобы предотвратить повреждение. Поскольку наиболее распространенными источниками питания являются (почти) источники постоянного напряжения, светодиодные светильники должны включать преобразователь мощности или, по крайней мере, ограничивающий ток резистор. В некоторых приложениях внутреннего сопротивления небольших батарей достаточно, чтобы поддерживать ток в пределах номинала светодиода. ^{[ необходима цитата ]}

Электрическая полярность [ править ]

В отличие от традиционной лампы накаливания, светодиод загорается только тогда, когда напряжение подается в прямом направлении от диода. Никакой ток не течет, и свет не излучается, если напряжение подается в обратном направлении. Если обратное напряжение превышает напряжение пробоя , протекает большой ток и светодиод выйдет из строя. Если обратный ток достаточно ограничен, чтобы избежать повреждения, светодиод с обратной проводимостью является полезным шумовым диодом . ^{[ необходима цитата ]}

Безопасность и здоровье [ править ]

Некоторые синие светодиоды и холодно-белые светодиоды могут превышать безопасные пределы так называемой опасности синего света, как определено в спецификациях по безопасности глаз, таких как «ANSI / IESNA RP-27.1–05: Рекомендуемая практика фотобиологической безопасности для ламп и ламповых систем» . ^[130] Одно исследование не показало никаких доказательств риска при нормальном использовании при домашнем освещении, ^[131] и что осторожность необходима только для определенных профессиональных ситуаций или для определенных групп населения. ^[132] В 2006 году Международная электротехническая комиссия опубликовала МЭК 62471 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем» , заменив собой применение ранних ориентированных на лазеры стандартов для классификации источников СИД.^[133]

Хотя светодиоды имеют преимущество перед люминесцентными лампами , они не содержат ртути , но могут содержать другие опасные металлы, такие как свинец и мышьяк . ^[134]

В 2016 году Американская медицинская ассоциация (AMA) опубликовала заявление о возможном негативном влиянии голубоватого уличного освещения на цикл сна и бодрствования горожан. Критики отрасли утверждают, что уровни воздействия недостаточно высоки, чтобы оказать заметный эффект. ^[135]

Преимущества [ править ]

• Эффективность: светодиоды излучают больше люмен на ватт, чем лампы накаливания. ^[136] Эффективность светодиодных осветительных приборов не зависит от формы и размера, в отличие от люминесцентных ламп или трубок.
• Цвет: светодиоды могут излучать свет заданного цвета без использования каких-либо цветных фильтров, как того требуют традиционные методы освещения. Это более эффективно и может снизить начальные затраты.
• Размер: светодиоды могут быть очень маленькими (менее 2 мм ^{2 [137]} ) и легко крепятся к печатным платам.
• Время прогрева : светодиоды загораются очень быстро. Типичный красный индикаторный светодиод достигает полной яркости менее чем за микросекунду . ^[138] Светодиоды, используемые в устройствах связи, могут иметь еще более быстрое время отклика.
• Цикл: светодиоды идеально подходят для использования с частыми циклами включения и выключения, в отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп, которые быстрее выходят из строя при частом циклическом переключении, или газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID-лампы), которым требуется много времени перед повторным запуском.
• Регулировка яркости: яркость светодиодов очень легко регулируется либо широтно-импульсной модуляцией, либо понижением прямого тока. ^{[139] Из-за} такой широтно-импульсной модуляции светодиодные фонари, особенно фары автомобилей, при просмотре в камеру или некоторыми людьми кажутся мигающими или мерцающими. Это разновидность стробоскопического эффекта .
• Холодный свет: в отличие от большинства источников света, светодиоды излучают очень мало тепла в виде ИК-излучения, которое может вызвать повреждение чувствительных предметов или тканей. Потраченная впустую энергия рассеивается в виде тепла через основание светодиода.
• Медленный выход из строя: светодиоды в основном выходят из строя из-за постепенного затемнения, а не из-за внезапного выхода из строя ламп накаливания. ^[140]
• Срок службы: светодиоды могут иметь относительно долгий срок службы. Согласно одному отчету, срок полезного использования составляет от 35 000 до 50 000 часов, хотя время до полного отказа может быть меньше или больше. ^[141] Люминесцентные лампы обычно рассчитаны на срок от 10 000 до 25 000 часов, частично в зависимости от условий использования, а лампы накаливания - от 1 000 до 2 000 часов. Несколько демонстраций, проведенных Министерством энергетики США , показали, что снижение затрат на техническое обслуживание в результате продленного срока службы, а не экономия энергии, является основным фактором при определении срока окупаемости светодиодного продукта. ^[142]
• Ударопрочность: светодиоды, будучи твердотельными компонентами, трудно повредить внешним ударом, в отличие от люминесцентных ламп и ламп накаливания, которые хрупки. ^[143]
• Фокус: прочный корпус светодиода может быть сконструирован так, чтобы фокусировать его свет. Лампы накаливания и люминесцентные источники часто требуют внешнего отражателя для сбора и направления света. Для больших корпусов светодиодов с тем же эффектом часто используются линзы полного внутреннего отражения (TIR). Однако, когда требуется большое количество света, обычно используется много источников света, которые трудно сфокусировать или сопоставить с одной и той же целью.

Недостатки [ править ]

• Температурная зависимость: характеристики светодиода в значительной степени зависят от температуры окружающей среды в рабочей среде или от свойств управления температурой. Перегрузка светодиода при высоких температурах окружающей среды может привести к перегреву светодиода, что в конечном итоге приведет к отказу устройства. Для длительного срока службы необходим соответствующий радиатор . Это особенно важно в автомобильной, медицинской и военной областях, где устройства должны работать в широком диапазоне температур и требовать низкой интенсивности отказов.
• Чувствительность к напряжению: на светодиоды должны подаваться напряжение выше их порогового напряжения и ток ниже их номинального значения. Ток и срок службы сильно меняются при небольшом изменении приложенного напряжения. Таким образом, они требуют источника питания с регулируемым током (обычно это просто последовательный резистор для индикаторных светодиодов). ^[144]
• Цветопередача: большинство светодиодов с холодным белым светом имеют спектр, который значительно отличается от спектра излучения черного тела, такого как солнце или лампа накаливания. Пик на 460 нм и провал на 500 нм могут привести к тому, что цвет объектов при освещении холодным белым светодиодом может выглядеть иначе, чем при солнечном свете или источниках накаливания, из-за метамерии ^[145] , ^[145] красные поверхности особенно плохо передаются при использовании типичных люминофоров. белые светодиоды. То же самое и с зелеными поверхностями. Качество цветопередачи светодиода измеряется индексом цветопередачи (CRI) .
• Местный источник света: одиночные светодиоды не соответствуют точечному источнику света, давая сферическое распределение света, а скорее ламбертовское распределение. Таким образом, светодиоды трудно применять там, где требуется сферическое световое поле; однако разными полями света можно управлять, применяя различную оптику или «линзы». Светодиоды не могут обеспечить расхождение ниже нескольких градусов. ^[146]
• Световое загрязнение : поскольку белые светодиоды излучают больше коротковолнового света, чем такие источники, как натриевые лампы высокого давления, повышенная чувствительность скотопического зрения к синему и зеленому цвету означает, что белые светодиоды, используемые в наружном освещении, вызывают значительно большее свечение неба . ^[124]
• Падение эффективности : эффективность светодиодов уменьшается сувеличением электрического тока . Нагрев также увеличивается с увеличением тока, что снижает срок службы светодиода. Эти эффекты накладывают практические ограничения на ток через светодиод в приложениях с большой мощностью. ^[147]
• Воздействие на дикую природу: светодиоды гораздо более привлекательны для насекомых, чем натриевые лампы, настолько, что возникли спекулятивные опасения по поводу возможности нарушения пищевых сетей . ^{[148] [149]} Светодиодное освещение возле пляжей, особенно ярко-синего и белого цветов, может дезориентировать детенышей черепах и заставить их блуждать по суше. ^[150] Использование светодиодов "безопасного для черепах" освещения, которые излучают только в узких частях видимого спектра, поощряется группами по охране природы, чтобы уменьшить вред. ^[151]
• Использование в зимних условиях: поскольку они не выделяют много тепла по сравнению с лампами накаливания, светодиодные фонари, используемые для управления дорожным движением, могут загораживать их снегом, что приводит к авариям. ^{[152] [153]}
• Температурный разгон: параллельные цепочки светодиодов не будут равномерно распределять ток из-за производственных допусков в их прямом напряжении. Работа двух или более цепочек от одного источника тока может привести к отказу светодиода при нагреве устройств. Если объединение прямого напряжения невозможно, требуется схема, обеспечивающая равномерное распределение тока между параллельными нитями. ^[154]

Приложения [ править ]

Использование светодиодов делится на четыре основные категории:

• Визуальные сигналы, при которых свет проходит более или менее прямо от источника к человеческому глазу, чтобы передать сообщение или смысл
• Освещение, при котором свет отражается от объектов, чтобы дать визуальный отклик этих объектов
• Измерение и взаимодействие с процессами без человеческого зрения ^[155]
• Узкополосные световые датчики, в которых светодиоды работают в режиме обратного смещения и реагируют на падающий свет вместо излучения света ^{[156] [157] [158] [159]}

Индикаторы и знаки [ править ]

Низкое потребление энергии , низкие эксплуатационные расходы и небольшой размер светодиодов привело к использованию в качестве индикаторов состояния и дисплеев на различного оборудования и установок. Светодиодные дисплеи большой площади используются в качестве дисплеев стадионов, динамических декоративных дисплеев и динамических указателей на автострадах. Тонкие и легкие дисплеи сообщений используются в аэропортах и ​​на вокзалах, а также в качестве дисплеев пунктов назначения для поездов, автобусов, трамваев и паромов.

Одноцветный свет хорошо подходит для светофоров и сигналов, знаков выхода , аварийного освещения транспортных средств , судовых навигационных огней и светодиодных рождественских огней.

Благодаря долгому сроку службы, быстрому переключению и видимости при дневном свете благодаря высокой мощности и фокусировке светодиоды используются в автомобильных стоп-сигналах и сигналах поворота. Использование в тормозах повышает безопасность, благодаря большому сокращению времени , необходимого для света полностью, или быстрее , время нарастания, примерно 0,1 секунды быстрее , ^{[ править ]} , чем лампы накаливания. Это дает отстающим водителям больше времени для реакции. В схеме двойной интенсивности (задние маркеры и тормоза), если светодиоды не пульсируют с достаточно быстрой частотой, они могут создать фантомный массив., где фантомные изображения светодиода появляются, если глаза быстро просматривают массив. Начинают появляться белые светодиодные фары. Использование светодиодов дает преимущества при оформлении, потому что светодиоды могут формировать гораздо более тонкие огни, чем лампы накаливания с параболическими отражателями .

Из-за относительной дешевизны светодиодов с низкой выходной мощностью они также используются во многих временных областях , таких как светящиеся палочки , металические предметы и фотонный текстиль Lumalive . Художники также использовали светодиоды для светодиодного искусства .

Освещение [ править ]

С развитием высокоэффективных и мощных светодиодов стало возможным использовать светодиоды для освещения и освещения. Для того, чтобы стимулировать переход к светодиодных ламп и других освещения высокой эффективности, в 2008 году Министерство энергетики США создали L Prize конкуренции. Philips лампы освещения Северная Америка LED выиграл первый конкурс на 3 августа 2011 года, после успешного завершения 18 месяцев интенсивного поля, лаборатории и тестирования продукта. ^[160]

Эффективное освещение необходимо для устойчивой архитектуры . По состоянию на 2011 год некоторые светодиодные лампы обеспечивают мощность до 150 лм / Вт, и даже недорогие модели бюджетного класса обычно превышают 50 лм / Вт, так что 6-ваттный светодиод может достичь тех же результатов, что и стандартная 40-ваттная лампа накаливания. Более низкая тепловая мощность светодиодов также снижает потребность в системах кондиционирования воздуха . Во всем мире светодиоды быстро применяются для вытеснения менее эффективных источников, таких как лампы накаливания и КЛЛ, и снижения потребления электроэнергии и связанных с этим выбросов. Светодиоды на солнечных батареях используются в качестве уличных фонарей и в архитектурном освещении .

Механическая прочность и долгий срок службы используются в автомобильном освещении автомобилей, мотоциклов и велосипедных фонарей . Светодиодные уличные фонари используются на столбах и в гаражах. В 2007 году итальянская деревня Торрака была первым местом, где уличное освещение было переведено на светодиоды. ^[161]

Освещение кабины на последних лайнерах Airbus и Boeing использует светодиодное освещение. Светодиоды также используются в освещении аэропортов и вертодромов. Светодиодные светильники для аэропортов в настоящее время включают в себя огни взлетно-посадочной полосы средней интенсивности, огни осевой линии взлетно-посадочной полосы, осевые и боковые огни РД, указательные знаки и заградительные огни.

Светодиоды также используются в качестве источника света для DLP- проекторов, а также для подсветки ЖК- телевизоров (называемых светодиодными телевизорами ) и дисплеев ноутбуков . RGB-светодиоды расширяют цветовую гамму на 45%. Экраны для телевизоров и компьютерных дисплеев можно сделать тоньше, используя светодиоды для подсветки. ^[162]

Светодиоды маленькие, прочные и потребляют мало энергии, поэтому они используются в портативных устройствах, таких как фонарики . Светодиодные стробоскопы или вспышки для фотоаппаратов работают при безопасном низком напряжении вместо 250+ вольт, обычно встречающихся в освещении на основе ксеноновых фонарей. Это особенно полезно в камерах на мобильных телефонах , где пространство ограничено, а громоздкие схемы повышения напряжения нежелательны.

Светодиоды используются для инфракрасного освещения в системах ночного видения, включая камеры безопасности . Кольцо из светодиодов вокруг видеокамеры , направленное вперед на световозвращающий фон , позволяет использовать цветность в видеопродукции .

Светодиоды используются в горнодобывающей промышленности в качестве ламп накаливания для освещения горняков. Были проведены исследования по улучшению светодиодов для горнодобывающей промышленности, уменьшению бликов и увеличению освещенности, уменьшая риск травм шахтеров. ^[163]

Светодиоды все чаще находят применение в медицине и образовании, например, для улучшения настроения. ^[164] НАСА даже спонсировало исследования по использованию светодиодов для улучшения здоровья космонавтов. ^[165]

Передача данных и другая сигнализация [ править ]

Свет можно использовать для передачи данных и аналоговых сигналов. Например, белые светодиоды можно использовать в системах, помогающих людям ориентироваться в замкнутых пространствах при поиске необходимых комнат или объектов. ^[166]

Вспомогательные устройства для прослушивания во многих кинотеатрах и аналогичных помещениях используют массивы инфракрасных светодиодов для передачи звука на приемники слушателей. Светоизлучающие диоды (а также полупроводниковые лазеры) используются для передачи данных по многим типам оптоволоконных кабелей, от цифрового звука по кабелям TOSLINK до оптоволоконных линий с очень высокой пропускной способностью, которые образуют магистраль Интернета. Некоторое время компьютеры обычно оснащались интерфейсами IrDA , что позволяло им отправлять и получать данные на соседние машины через инфракрасный порт.

Поскольку светодиоды могут включаться и выключаться миллионы раз в секунду, может быть достигнута очень высокая пропускная способность данных. ^[167] По этой причине, связь в видимом свете (VLC) была предложена в качестве альтернативы все более конкурентной полосе частот радиосвязи. ^[168] Работая в видимой части электромагнитного спектра, данные могут передаваться, не занимая частот радиосвязи.

Основная характеристика VLC заключается в неспособности света преодолевать физические непрозрачные барьеры. Эта характеристика может рассматриваться как слабое место VLC из-за восприимчивости к помехам от физических объектов, но также является одной из многих его сильных сторон: в отличие от радиоволн, световые волны ограничены в замкнутых пространствах, которые они передают, что требует физического воздействия. барьер безопасности, который требует, чтобы получатель этого сигнала имел физический доступ к месту, где происходит передача. ^[168]

Многообещающее применение VLC лежит в системе внутреннего позиционирования (IPS), аналогичной системе GPS, созданной для работы в замкнутых пространствах, где спутниковые передачи, обеспечивающие работу GPS, труднодоступны. Например, коммерческие здания, торговые центры, гаражи, а также метро и туннельные системы - все это возможные приложения для внутренних систем позиционирования на основе VLC. Кроме того, как только лампы VLC могут выполнять освещение одновременно с передачей данных, они могут просто занять установку традиционных однофункциональных ламп.

Другие приложения для VLC включают связь между устройствами умного дома или офиса. С увеличением количества устройств, поддерживающих IoT , возможность подключения через традиционные радиоволны может подвергаться помехам. ^[169] Однако лампочки с возможностями VLC смогут передавать данные и команды для таких устройств.

Системы машинного зрения [ править ]

Системам машинного зрения часто требуется яркое и однородное освещение, поэтому интересующие элементы легче обрабатывать. Часто используются светодиоды.

Сканеры штрих-кода являются наиболее распространенным примером приложений машинного зрения, и многие из этих сканеров используют красные светодиоды вместо лазеров. Оптические компьютерные мыши используют светодиоды в качестве источника света для миниатюрной камеры внутри мыши.

Светодиоды полезны для машинного зрения, потому что они представляют собой компактный и надежный источник света. Светодиодные лампы можно включать и выключать в соответствии с потребностями системы технического зрения, а форму получаемого луча можно настроить в соответствии с требованиями системы.

Биологическое обнаружение [ править ]

Открытие радиационной рекомбинации в сплавах с нитридом алюминия и галлия (AlGaN) Исследовательской лабораторией армии США (ARL) привело к концептуализации УФ-светоизлучающих диодов (СИД), которые будут включены в датчики индуцированной светом флуоресценции , используемые для обнаружения биологических агентов. ^{[170] [171] [172]} В 2004 году Химико-биологический центр Эджвуда (ECBC) начал работу по созданию биологического детектора под названием TAC-BIO. В программе используются полупроводниковые УФ-оптические источники (SUVOS), разработанные Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) . ^[172]

Флуоресценция, индуцированная УФ-излучением, - один из самых надежных методов, используемых для быстрого обнаружения биологических аэрозолей в реальном времени. ^[172] Первыми УФ-датчиками были лазеры, которым не хватало практичности в полевых условиях. Чтобы решить эту проблему, DARPA внедрила технологию SUVOS для создания недорогого, небольшого, легкого устройства с низким энергопотреблением. Время отклика детектора TAC-BIO составляло одну минуту с момента обнаружения биологического агента. Также было продемонстрировано, что детектор может работать без присмотра в помещении и на улице в течение нескольких недель. ^[172]

Биологические частицы в аэрозольной форме будут флуоресцировать и рассеивать свет под УФ-лучом. Наблюдаемая флуоресценция зависит от применяемой длины волны и биохимических флуорофоров в биологическом агенте. Флуоресценция, индуцированная УФ-излучением, предлагает быстрый, точный, эффективный и практичный с точки зрения логистики способ обнаружения биологических агентов. Это связано с тем, что использование УФ-флуоресценции требует меньшего количества реагентов или процесса, который не требует добавления химического вещества для проведения реакции, без расходных материалов или без побочных химических продуктов. ^[172]

Кроме того, TAC-BIO может надежно различать опасные и неопасные аэрозоли. Утверждалось, что он достаточно чувствителен для обнаружения низких концентраций, но не настолько чувствителен, чтобы вызывать ложные срабатывания. Алгоритм подсчета частиц, используемый в устройстве, преобразовал необработанные данные в информацию путем подсчета импульсов фотонов в единицу времени от детекторов флуоресценции и рассеяния и сравнения значения с установленным порогом. ^[173]

Оригинальный TAC-BIO был представлен в 2010 году, а второе поколение TAC-BIO GEN II было разработано в 2015 году, чтобы быть более экономичным за счет использования пластиковых деталей. Его небольшая и легкая конструкция позволяет устанавливать его на автомобили, роботов и беспилотные летательные аппараты. Устройство второго поколения можно также использовать в качестве детектора окружающей среды для мониторинга качества воздуха в больницах, самолетах или даже в домашних условиях для обнаружения грибка и плесени. ^{[174] [175]}

Другие приложения [ править ]

Свет от светодиодов можно модулировать очень быстро, поэтому они широко используются в оптоволоконной связи и в оптических системах связи в свободном пространстве . Сюда входят пульты дистанционного управления , например, для телевизоров, где часто используются инфракрасные светодиоды. В оптоизоляторах используется светодиод в сочетании с фотодиодом или фототранзистором, чтобы обеспечить путь прохождения сигнала с гальванической развязкой между двумя цепями. Это особенно полезно в медицинском оборудовании, где сигналы низковольтного датчикацепь (обычно с батарейным питанием), контактирующая с живым организмом, должна быть электрически изолирована от любого возможного электрического сбоя в регистрирующем или контролирующем устройстве, работающем при потенциально опасном напряжении. Оптоизолятор также позволяет передавать информацию между цепями, которые не имеют общего потенциала земли.

Многие сенсорные системы полагаются на свет как на источник сигнала. Светодиоды часто идеальны в качестве источника света из-за требований к датчикам. На сенсорной панели Nintendo Wii используются инфракрасные светодиоды. Пульсоксиметры используют их для измерения насыщения кислородом . В некоторых планшетных сканерах в качестве источника света используются массивы светодиодов RGB, а не типичная люминесцентная лампа с холодным катодом . Независимое управление тремя подсвеченными цветами позволяет сканеру откалибровать себя для более точного цветового баланса, и нет необходимости в прогреве. Кроме того, его датчики должны быть только монохроматическими, поскольку в каждый момент времени сканируемая страница освещается только одним цветом света.

Поскольку светодиоды также могут использоваться в качестве фотодиодов, их можно использовать как для фотоэмиссии, так и для детектирования. Это можно использовать, например, в сенсорном экране, который регистрирует отраженный свет от пальца или стилуса . ^[176] Многие материалы и биологические системы чувствительны к свету или зависят от него. Grow огни использовать светодиоды для увеличения фотосинтеза в растениях , ^[177] и бактерии и вирусы могут быть удалены из воды и других веществ с использованием УФ - светодиодов для стерилизации . ^[94]

Светодиоды глубокого ультрафиолетового излучения с диапазоном спектра от 247 нм до 386 нм имеют другие применения, такие как очистка воды / воздуха, дезинфекция поверхности, отверждение эпоксидной смолой, связь в открытом пространстве без прямой видимости, высокоэффективная жидкостная хроматография, УФ-отверждение и печать. , фототерапия, медицинское / аналитическое оборудование и абсорбция ДНК. ^{[171] [178]}

Светодиоды также были использованы в качестве среднего качества опорного напряжения в электронных схемах. Прямое падение напряжения (около 1,7 В для красного светодиода или 1,2 В для инфракрасного) можно использовать вместо стабилитрона в низковольтных стабилизаторах. Красные светодиоды имеют самую ровную кривую I / V выше колена. Светодиоды на основе нитридов имеют довольно крутую кривую I / V и бесполезны для этой цели. Хотя прямое напряжение светодиода гораздо более зависит от тока, чем стабилитрон, стабилитроны с напряжением пробоя ниже 3 В широко не доступны.

Постепенная миниатюризация низковольтных осветительных технологий, таких как светодиоды и OLED, подходящие для включения в материалы малой толщины, стимулировала эксперименты по объединению источников света и поверхностей, покрывающих стены, для внутренних стен в виде светодиодных обоев .

• Большой светодиодный дисплей за диск-жокеем

• Семисегментный дисплей , отображающий четыре цифры и точки

• Источник света светодиодной панели, использованный в эксперименте по выращиванию растений . Результаты таких экспериментов могут быть использованы для выращивания пищи в космосе во время длительных миссий.

Исследования и разработки [ править ]

Ключевые проблемы [ править ]

Светодиоды требуют оптимальной эффективности, чтобы зависеть от постоянных улучшений, таких как люминофорные материалы и квантовые точки . ^[179]

Процесс понижающего преобразования (метод, с помощью которого материалы преобразуют более энергичные фотоны в другие, менее энергичные цвета) также нуждается в улучшении. Например, красные люминофоры, которые используются сегодня, являются термочувствительными и нуждаются в улучшении в этом аспекте, чтобы они не меняли цвет и не снижали эффективность с температурой. Красные люминофоры также могут выиграть от более узкой спектральной ширины, чтобы излучать больше люмен и стать более эффективными при преобразовании фотонов. ^[180]

Кроме того, еще предстоит проделать работу в области снижения эффективности по току, смены цвета, надежности системы, распределения света, регулирования яркости, управления температурой и характеристик источника питания. ^[179]

Возможная технология [ править ]

Перовскитовые светодиоды (PLED) [ править ]

Новое семейство светодиодов основано на полупроводниках, называемых перовскитами . В 2018 году, менее чем через четыре года после их открытия, способность перовскитных светодиодов (PLED) генерировать свет из электронов уже конкурировала с таковыми у самых эффективных OLED . ^[181] Они обладают потенциалом рентабельности, поскольку их можно обрабатывать из раствора, это недорогой и низкотехнологичный метод, который может позволить изготавливать устройства на основе перовскита с большими площадями с чрезвычайно низкой стоимостью. Их эффективность выше за счет устранения безызлучательных потерь, другими словами, устранения путей рекомбинации, которые не производят фотоны; или путем решения проблемы вывода (преобладает для тонкопленочных светодиодов) или балансировки инжекции носителей заряда для увеличенияEQE (внешняя квантовая эффективность). Самые современные устройства PLED преодолели барьер производительности, установив EQE выше 20%. ^[182]

В 2018 году Cao et al. и Lin et al. независимо опубликовали две статьи по разработке перовскитных светодиодов с EQE более 20%, что сделало эти две статьи важной вехой в развитии PLED. Их устройство имеет аналогичную планарную структуру, т.е. активный слой (перовскит) зажат между двумя электродами. Чтобы достичь высокого EQE, они не только уменьшили безызлучательную рекомбинацию, но также использовали свои собственные, немного другие методы для улучшения EQE. ^[182]

В работе Cao et al. ^[183] исследователи сосредоточились на проблеме вывода, которая заключается в том, что оптическая физика тонкопленочных светодиодов заставляет большую часть света, генерируемого полупроводником, задерживаться в устройстве. ^[184] Для достижения этой цели они продемонстрировали, что обработанные в растворе перовскиты могут спонтанно формировать кристаллические пластинки субмикрометрового размера, которые могут эффективно извлекать свет из устройства. Эти перовскиты образуются путем введения аминокислотных добавок в растворы- предшественники перовскита . Кроме того, их метод способен пассивировать дефекты поверхности перовскита.и уменьшить безызлучательную рекомбинацию. Таким образом, улучшив выход света и уменьшив безызлучательные потери, Цао и его коллеги успешно достигли PLED с EQE до 20,7%. ^[185]

Однако в работе Линя и его коллеги они использовали другой подход для создания высокого EQE. Вместо изменения микроструктуры слоя перовскита они решили принять новую стратегию управления распределением состава в устройстве - подход, который одновременно обеспечивает высокую люминесценцию и сбалансированную инжекцию заряда. Другими словами, они по-прежнему использовали плоский излучающий слой, но пытались оптимизировать баланс электронов и дырок, инжектированных в перовскит, чтобы максимально эффективно использовать носители заряда. Кроме того, в слое перовскита кристаллы идеально окружены добавкой МАВр (где МА - CH ₃ NH ₃). Оболочка MABr пассивирует безызлучательные дефекты, которые в противном случае присутствовали бы в кристаллах перовскита, что приводит к снижению безызлучательной рекомбинации. Поэтому, уравновешивая инжекцию заряда и уменьшая безызлучательные потери, Лин и его коллеги разработали PLED с EQE до 20,3%. ^[186]

Двусторонние светодиоды [ править ]

Устройства, называемые «наностержнями», представляют собой разновидность светодиодов, которые также могут обнаруживать и поглощать свет. Они состоят из квантовой точки, непосредственно контактирующей с двумя полупроводниковыми материалами (вместо одного, как в традиционных светодиодах). Один полупроводник допускает движение положительного заряда, а другой - отрицательного. Они могут излучать свет, чувствовать свет и собирать энергию. Наностержень собирает электроны, в то время как оболочка квантовой точки собирает положительные заряды, поэтому точка излучает свет. При переключении напряжения происходит обратный процесс, и точка поглощает свет. К 2017 году единственным разработанным цветом был красный. ^[187]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Изготовление светодиода своими руками
• Цветной циклический светодиод в одном двухконтактном корпусе ,
• Обучающее видео о светодиодах на YouTube

Викискладе есть медиафайлы, связанные со светодиодами и светоизлучающими диодами (SMD) .

Поищите светоизлучающие диоды в Викисловаре, бесплатном словаре.