Светодиоди (LEDs) I част

Какво представляват LED

Светодиодите или light emitting diodes (LEDs) са най-широко разпространените и най-използваните от всички видове полупроводникови диоди днес. Те излъчват в доста тясна честотна лента видима светлина с различни дължини на вълната, както и инфрачервени и лазерни лъчи. LED са специфичен тип диоди с PN преход, изработени от много тънък слой силно легирани полупроводникови сплави. Когато електроните на полупроводника рекомбинират с дупките от валентната зона, се освобождава достатъчно енергия за отделянето на фотони емитиращи тесен светлинен спектър. Тогава може да се каже, че LED са полупроводников „апарат“, който преобразува електрическата енергия в светлинна енергия. Цветът зависи от дължината на вълната, а тя, от ширината на забранената зона на полупроводника:

където:  λ е дължината на светлинната вълна;

h – константа на Планк;

DW3 – широчината на забранената зона на полупроводника.

Важна особеност на светодиодите е тяхната малка инертност – от 10ns до 1ns. Това позволява на светодиодите да работят в импулсен режим при 100MHz, освен това се явява и едно от най-големите предимства на LED лампите пред CFL лампите, при които максималния светлинен поток се получава с известно закъснение.

Принципно устройство на LED

Конструкцията на LED се различава твърде много от тази на един нормален диод. PN прехода е заобиколен от прозрачна твърда пластмаса с полусферична форма предпазваща светодиода от вибрации и удари. Всъщност, за изненада, самия LED не излъчва кой знае колко светлина, затова прозрачния корпус на диода, който впрочем може да бъде и от епоксидна смола, е конструиран по такъв начин, че фотоните излъчвани от LED да бъдат отразени от повърхността на основата, към която е прикрепен диода и фокусирани нагоре през куполовидния връх на светодиода. С тази цел тялото на диода е създадено с формата на леща за постигане на концентрация и по-висока яркост на върха на LED.

Въпреки това, голяма част от светодиодите не са направени с полусферична форма. Много LED са направени с цилиндрична конструкция с плоска горна част. Други са с правоъгълна форма или дори със стреловидна форма. При някои приложения се налага светодиода да е в метален корпус.

За разлика от обикновените лампи с нажежаема жичка, които генерират големи количества топлина съпътстващи светенето, LED генерират студена светлина. Това води до висока ефективност, близо 5 пъти по-висока, защото по-голямата част от светлината се излъчва във видимия спектър. От друга страна, тъй като светодиодите са полупроводникови елементи, те могат да бъдат изключително малки и издръжливи и да осигурят много по-дълъг живот на лампата, част от която са.

Светлинен спектър на LED

Как LEDs светят с различни цветове? За разлика от обикновените диоди, които са направени от германий или силиций, светодиодите са изработени от екзотични полупроводникови материали. Най-често това са галиев арсенид, галиев фосфит, галиев арсенид-фосфит, силиконов карбид, галиев индиев нитрит, всички смесени в различни съотношения. Целта е да се получи светлина с различна дължина на вълната, а оттам и различен цвят. Основната P-тип добавка в производството на LED е галий (Ga, химичен елемент с атомен номер 31) , а основната N-тип добавка е арсен (As, химичен елемент с атомен номер 33), химическото съединение е GaAs със кристална структура. Различните съединения излъчват светлина в различна част от светлинния спектър и следователно създават различни нива на интензивност на светлината. От цвета на излъчваната светлина обикновено зависи и оцветяването на корпуса на светодиода.

Това се прави, от една страна за да се засили излъчвания цвят светлина, а от друга, за да се различават светодиодите, когато не светят. LED са достъпни във широка гама от цветове, като най-разпространени са червен, жълт, кехлибарен и зелен.

По-новите цветове светодиоди са сини и бели, които днес също много се използват. За да бъдем по-конкретни в началото на деветдесетте години на миналия век, Исама Акасаки и Хироши Амано от университета в Нагоя, както и Судзи Накамура независимо от тях, откриват евтин син светодиод, за което през 2014г. получават Нобелова награда по физика.

Скоро след откриването им тези светодиоди са били доста по-скъпи от останалите, поради по-високите производствени разходи. Те са обусловени от необходимостта от смесване на два или повече химически елемента в точно съотношение помежду им и от цената на самите съставки.

Съотношение между дължина на вълната и цвят на излъчваната светлина на LED

В първата колона на таблицата са дадени дължините на вълните в нанометри, които обуславят излъчвания цвят.

В горната част на таблицата за получаване на тъмночервена светлина се използва споменатия по-горе галиев арсенид. Проблемът при него е, че излъчва част от светлината си в инфрачервената част на спектъра. Когато такъв LED се използва за телевизионни дистанционни управления, композита се оставя в този вид, но ако искаме излъчваната светлина да е във видимата част на спектъра добавяме фосфор.

Как химичният състав на LED влияе на излъчваната светлина

Съотношението между различните химически елементи – полупроводници и излъчваната от техните съединения цвят светлина е следното:

• галиев арсенид – инфрачервено;

• галиев арсенид фосфат – червено до оранжево (в зависимост от съотношението);
• алуминиев галиев арсенид фосфат – високоярко червено, оранжевочервено, оранжево, до тъмно жълто;
• галиев фосфат – червено, жълто и зелено;
• алуминиев галиев фосфат – зелено;
• галиев нитрит – зелено, смарагдово зелено;
• галиев индиев нитит – синьо, синьозелено, ултравиолетово;
• силикон карбид – синьо лазурно;
• цинк селенид – яркосиньо;
• алуминий галиев нитрид – ултравиолетово.

Подобно на конвенционалните диоди с PN преход, LED са токозависими устройства, но зависят и от пада на напрежение върху тях. Напрежението, при което започва производството на светлина е около 1.2V за стандартен червен светодиод и стига до около 3.6V за син светодиод. Конкретния пад на напрежението зависи от различните добавки в производството на LED. Светодиодите са нелинейни елементи, както се вижда и от волт-амперната им характеристика. Нека разгледаме стойностите на напрежението при ток 20mA.

Волт-амперна характеристика на LED

Тъй като LED е вид диод, V-A характеристики имат вид, както при другите диоди, но в зависимост от цвета могат да се различават за всеки цвят. Прави впечатление, че при малки изменения на напрежението се получават големи изменения на тока през прехода. Обратното също е вярно – напрежението върху прехода остава почти постоянно при големи изменения на тока, който протича през него.

Характеристики на LED

Светодиодите имат няколко основни характеристики, които са:

• максимална разсейвана мощност – обикновено е в mW, но вече има мощни светодиоди, разсейващи десетки ватове, това е мощността, която LED може да разсее без повреда. Зависи от полупроводниковата сплав и от корпуса на светодиода;

• светлинна интензивност – в mcd (миликандели), зависи от вида и свойствата на полупроводниковия материал и от качеството на лещата пред LED;
• максимален продължителен ток в права посока – посочва се в mA и представлява максималния ток, който преминава през прехода продължително време без да предизвика повреди в светодиода;
• максимален пиков (импулсен) ток в права посока – също в mA. Важно е да се посочи, освен неговата големина, какво е времето, през което минава през светодиода, както и времето на пауза преди повторното му протичане, т.е. коефициент на запълване на импулсите;
• напрежение в права посока – определя се във V (волтове). Това е падът на напрежение между двата извода на светодиода, когато през него протича ток с определена стойност;
• максимално напрежение в обратна посока – при включване на светодиода в обратна посока на практика през него не протича ток. Ако се превиши параметъра – максимално напрежение в обратна посока – светодиода изгаря;
• цвят на светене.

В следващата част на статията, посветена на светодиодите, ще разгледаме схемите на свързване, използването на токоограничители за светодиоди, както и светодиоди с повече от един цвят на светене.