Светодиод — работа и устройство: особенности и принцип действия

Без рубрики

Светодиод — это электронный элемент, который создает свет, когда через него проходит электрический ток. В отличие от традиционных ламп накаливания, светодиоды не используют термический процесс для производства света. Результатом этого является значительно более высокая эффективность работы, долговечность и меньшее энергопотребление.

Светодиоды используются в различных приборах, от маленьких светодиодных фонариков до огромных экранов на футбольных стадионах. Они также широко используются в автомобилях, телевизорах и многих других электронных устройствах.

Как же устроен светодиод и как он работает?

Перед началом работы светодиода в кристаллической структуре материала создается зона, в состоянии окисления и восстановления электронов. Когда электричество проходит через светодиод, он дополнительно заряжает электроны в зоне, но в результате этого светодиод испускает свет энергии, ослабляя количество заряда.

У светодиодов есть множество других интересных свойств, включая возможность менять цвет свечения, управляемость яркостью и повторяемость цветовой схемы. Количество светодиодов и размеров очень многообразны. Устройство и работа светодиода обладают простотой и удивительной повсеместной применимостью.

История возникновения

Светодиоды были изобретены в 1962 году Николасом Холони и Джорджем Кроном при работе в компании General Electric. Они разработали маленький прибор, который излучал красный свет.

Прорывом в коммерческое использование светодиодов стало создание светодиодов яркости белого цвета в 1990-х годах. Это произошло благодаря сочетанию трёх цветов – красного, зеленого и синего. Каждый из этих цветов имеет свойство полупроводникового материала светиться, когда через него пропускается электрический ток.

Светодиоды долгое время использовались в индикаторах и светофорах, где их небольшая яркость не представляла особого значения. Однако с развитием технологий светодиоды стали использоваться в промышленности, освещении, телевизорах и экранах мобильных устройств, из-за своей низкой потребляемой мощности и высокой яркости.

Устройство и принцип формирования излучения

Светодиод — это электронный прибор, который работает на основе явления электролюминесценции. Он состоит из полупроводникового материала с переходом p-n и двух электродов. Когда на светодиод подаются электрические импульсы, электроны и дырки перемещаются к переходу p-n, где они рекомбинируют друг с другом и испускают энергию в виде фотонов.

Форма излучения светодиода зависит от материала и формы его активной зоны, а также от напряжения, которое подается на светодиод. Цвет свечения светодиода зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и способа модификации материала. Безразмерный параметр, который описывает способность светодиода к излучению света, называется квантовой эффективностью.

Светодиоды имеют ряд преимуществ перед другими источниками света: они малы, надежны, практически не нагреваются и не содержат ртутных паров или других опасных веществ. Они также используются в различных приборах, включая светодиодные лампы, световые индикаторы, телевизоры и многое другое.

От чего зависит цвет светодиода

Светодиод (LED) излучает свет благодаря процессу рекомбинации между электронами и дырками в полупроводнике. Однако, цвет свечения может быть разным и зависит от материала, из которого изготовлен полупроводник.

Галогенид индия (InGaN) используется для создания светодиодов синего и зеленого цвета. Чтобы получить другие цвета, добавляют другие элементы к полупроводнику.

  • Арсенид галлия (GaAs) – оранжевый и красный
  • Фосфид алюминия (AlP) – красный
  • Фосфид галлия (GaP) – зеленый
  • Карбид кремния (SiC) – синий
Цвет светодиода Материал полупроводника
Красный Арсенид галлия (GaAs) или фосфид алюминия (AlP)
Оранжевый Арсенид галлия-фосфида галлия (GaAsP)
Желтый Галогенид алюминия-галлия (AlGaInP)
Зеленый Фосфид галлия (GaP) или галогенид индия (InGaN)
Голубой Галогенид индия (InGaN)
Фиолетовый Галогенид индия-алюминия (AlInGaN)

Для получения белого цвета используют технологию смешивания RGB (красный, зеленый и синий) светодиодов, или же используют так называемый фосфорный светодиод (phosphor-coated LED), где свет, излучаемый светодиодом, попадает на слой фосфора, который испускает белый свет.

Техника смешения цветов

Светодиоды разных цветов могут быть соединены в одном устройстве. Цвет свечения достигается путем смешения трех базовых цветов — красного, зеленого и синего (RGB). Эта техника называется смешением аддитивных цветов.

Когда светодиоды разных цветов соединены вместе, они создают все цвета радуги. Например, красный LED с зеленым LED создаст желтый цвет. С более чем тремя светодиодами можно создать еще больше цветовых комбинаций.

Сочетание красного, зеленого и синего светодиодов может создавать не только разноцветное свечение, но и белый свет, если все три цвета присутствуют в наиболее ярком своем оттенке.

  • Красный колорит: Красные светодиоды используются для создания ярких и сочных цветов, таких как оранжевый, красный и розовый.
  • Зеленый колорит: Зеленые светодиоды работают на высоких частотах, что делает их идеальными для создания зеленых цветов и показа графики.
  • Синий колорит: Синие светодиоды могут создавать насыщенный или тусклый синий цвет, а также белый свет в сочетании с другими цветами.

Техника смешения цветов применяется в различных устройствах, включая телевизоры, мониторы и светильники. Она позволяет получать разнообразие ярких и насыщенных цветов в устройствах с использованием светодиодов.

Особенности изготовления светодиодов

Выбор материалов

При изготовлении светодиодов необходимо использовать определенные материалы. Одним из главных материалов является полупроводниковый кристалл. Обычно используются галлий-арсенид (GaAs), галлий-фосфид (GaP) и алюминий-индий-галлиевый фосфид (AlInGaP). Также нужны электроды, пластиковая упаковка и другие материалы.

Процесс формирования

Формирование светодиодов происходит на чистых кристаллах полупроводников. Полупроводниковый кристалл покрывается специальным покрытием, на которое наносят точечные границы. Затем происходит «имплантация примеси», когда в кристалл вводятся новые элементы. После этого кристалл подвергается нагреванию, чтобы примеси могли раствориться.

Изготовление электродов

Электроды – это контакты, которые позволяют подавать электрический ток на светодиод. Изготовление электродов начинается с нанесения проводящих слоев на поверхность кристалла. Затем наносят контактные площадки и провода. Важно, чтобы электроды были равномерно размещены, чтобы светодиод работал эффективно.

Упаковка

После изготовления светодиода, он помещается в пластиковую упаковку. Упаковка защищает светодиод от влияния внешней среды и определяет его форму. Ранее упаковки были больших размеров и предназначались только для защиты светодиода. Сейчас упаковки миниатюрных размеров используются для создания светодиодных экранов и других малогабаритных устройств.

Материалы Процесс формирования Изготовление электродов Упаковка
Полупроводниковый кристалл, электроды, пластиковая упаковка Покрытие, имплантация примеси, нагревание Нанесение проводящих слоев, контактных площадок и проводов Защита и формирование светодиода

Области применения и управление свечением

Автомобильная промышленность

Светодиоды могут использоваться в автомобилях как фары, стоп-сигналы и указатели поворота. Они имеют меньше энергопотребление и дольше служат, чем традиционные лампочки.

Электроника

Светодиоды применяются как индикаторы в электронике, так как они долговечны и потребляют меньше энергии, чем другие источники света. Они могут также использоваться в светодиодных дисплеях и светосигнальных устройствах.

Освещение

Светодиоды широко применяются в освещении помещений, улиц и автомобилей. Они потребляют меньше энергии, имеют более длительный срок службы и могут изменять цвет и яркость свечения.

Управление свечением

Светодиоды могут управляться с помощью электронного устройства, называемого драйвером светодиода. Этот драйвер контролирует напряжение, ток и частоту свечения светодиода. Также могут использоваться микроконтроллеры для управления светодиодами и создания различных эффектов свечения.

Что такое светодиод и как он работает — устройство и особенности

Популярный материал:

  • Устройство светодиода: Светодиод (LED) — это полупроводниковый элемент, который преобразует электрическую энергию в световую. Его основные компоненты — это полупроводниковая кристаллическая структура и электроды, с помощью которых он подключается к источнику питания.
  • Принцип работы светодиода: Светодиод работает по принципу электролюминесценции, т.е. в результате прохождения электрического тока через полупроводниковый материал происходит излучение света. Электроны, переходя через границу между полупроводниками разных видов, испускают кванты света нужной длины волны.
  • Особенности светодиода: Светодиоды имеют ряд особенностей, которые делают их более привлекательными для использования в различных приборах: они малы, на малом токе потребляют мало энергии, могут работать при высоких и низких температурах, имеют высокий уровень яркости и долгий срок службы.

Светодиоды используются везде, где требуется источник света: в светодиодных лампах, рекламных щитах, на светофорах, в автомобильных фарах, в телевизорах и мониторах, а также в медицинских и промышленных приборах. Благодаря своим уникальным качествам, светодиоды продолжают завоевывать славу на рынке электронных компонентов и с каждым днем находят новые области применения.

Сравнение расхода энергии с разными типами ламп:
Тип лампы Расход энергии, Вт Срок службы, часы
Галогенная лампа 50 2000
Лампа накаливания 40 1000
Люминесцентная лампа 13 6000
Светодиодная лампа 5 25000

Как видно из таблицы, светодиодные лампы потребляют на порядок меньше энергии, чем другие типы ламп, и имеют длительный срок службы. Это делает их экономичными и выгодными для использования по сравнению с другими типами ламп.

Оцените статью
Строим-чиним
Добавить комментарий