Что такое светодиод и как он работает

269
Что такое светодиод и как он работает

Принцип работы светодиода, метод получения, конструкция и сферы применения.

Когда в начале прошлого века несколько учёных — сперва американец Генри Раунд, потом наш соотечественник Олег Лосев, а затем француз Жорж Дестрио открыли и начали изучать явление электролюминесценции, таких понятий как “полупроводник”, да и собственно “электролюминесценция” ещё не существовало.

Но уже тогда было ясно, что это новый физический эффект, который может породить новые технологии. В отличие от ламп накаливания, которые светятся за счёт высокой температуры вольфрамовой нити, свет, полученный Раундом, Лосевым и Дестрио, выделял очень мало тепла.

На поиски ответов ушли десятки лет опытов, экспериментов, проб и ошибок.

Теоретическое обоснование свечения в полупроводниках появилось только в начале 50-х годов, и только в 90-е – 2000-е годы технология светодиодов получила широкое распространение во всех сферах жизни.

Принцип работы

Что же такое светодиоды и почему они светятся? Несколько определений. Диод — это полупроводниковый прибор с разной электрической проводимостью: то есть в одном направлении он пропускает ток хорошо, а в другом — практически блокирует его прохождение. Светодиод — это диод, который излучает видимый свет при прохождении тока. В нём нет нити накаливания; вместо этого свечение вызывается рекомбинацией электронов и дырок в материале полупроводника.

“Дырка” — это не упрощение, а реальный физический термин: это квазичастица, носитель положительного заряда, так же как электрон — носитель отрицательного заряда. Рекомбинация же — это исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда. При этом происходит высвобождение энергии — именно его мы и наблюдаем, когда видим свет светодиода.

Чтобы обеспечить рекомбинацию, нужен p-n-переход: область соприкосновения проводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового материала, из которого изготавливают светодиоды, легируют, то есть обрабатывают разными примесями: с одной стороны донорскими, с другой – акцепторными.

Донорские примеси, которые вносят дополнительные электроны, создают проводник n-типа (n – negative, “отрицательный”). Акцепторные, наоборот, извлекают электроны, оставляя на их месте дырки — получается проводник p-типа (p – positive, “положительный). При контакте между веществами p- и n-типов начинается движение свободных частиц, и под воздействием тока происходит рекомбинация.

От чего зависит цвет светодиода

Свет в видимом спектре, с длиной волны фотонов от 380-400 до 760-780 нанометров (от фиолетового до красного), излучают далеко не все диоды – для этого нужны определённые материалы. Цвет светодиода определяется их типом: кристаллы из разных материалов производят электромагнитные волны разной длины.

Например, для получения красного света используется арсенид алюминия-галлия, зеленый свет излучают кристаллы из нитрида индия-галлия, а для синего применяется селенид цинка.

Белый свет получают двумя разными способами:

  • использованием светодиодов трех цветов – красного, зеленого и синего,
  • нанесением различных люминофоров на синий, фиолетовый или ультрафиолетовый светодиод (используется эффект спектрального сдвига Стокса).

В первом случае на одной матрице помещают три кристалла основных цветов. Оптическая система такого светодиода смешивает эти три цвета, и наш глаз воспринимает итоговый результат как белый. У такого способа есть ряд недостатков, например, неоднородный цвет. Но есть и свои плюсы. Среди них – возможность подключать кристаллы поочередно, получая разные оттенки. Такие многоцветные светодиоды используют в светодиодных экранах, декоративной подсветке, гирляндах.

Светодиоды с люминофором проще и дешевле, но и у них существуют свои минусы. Например, срок службы люминофора меньше, чем у светодиода. К тому же из-за наличия люминофора часть световой энергии теряется, то есть светоотдача становится меньше. Белые светодиоды, полученные таким способом, чаще используют для освещения.

Люминофорное покрытие применяется и для получения других оттенков. Например, если покрыть синий светодиод красным люминофором, получится розовый свет.

Как получают кристаллы для светодиодов

Чтобы получить качественные полупроводниковые кристаллы, требуются очень чистые материалы с минимальным количеством дефектов, мешающих процессу рекомбинации. Для этого кристаллы выращивают в специальных установках на специальной подложке, чаще из искусственного сапфира.

Камера, где находится подложка, заполняется газовой смесью со всеми нужными компонентами. Постепенно они оседают, и на разогретой подложке начинает формироваться многослойная плёнка будущего кристалла. Этот процесс называется газофазной эпитаксией.

Толщина слоя и его однородность тщательно контролируются, даже на атомарном уровне. Затем на плёнке создаются контакты для анода и катода; плёнка нарезается, сортируется по множеству признаков, и далее происходит процесс сборки светодиода.

Конструкция светодиодов

Конструкция светодиода зависит от его назначения, но в основе любого светодиода находится полупроводниковый кристалл, который и излучает свет. Кристалл (иначе называемый “чип”) монтируется на подложке из материала с высокой теплопроводностью – обычно из меди или алюминия. Если требуется корректировка цвета, кристалл покрывают люминофором. Вокруг кристалла находится отражатель (рассеиватель), направляющий свет.

Токопроводящая группа, анод и катод, соединяется с соответствующими выходами на кристалле и подводит напряжение. Тип корпуса зависит от типа светодиода, его электрических и оптических параметров. Например, для простейшего индикаторного светодиода может использоваться пластик или эпоксидная смола, в которую вставляется кристалл. Затвердевшая смола и будет корпусом.

Для мощных светодиодов, потребляющих относительно много энергии, а также при использовании большого числа чипов требуется более сложный корпус из керамики или металла. Но в любом случае основная цель корпуса светодиода – это обеспечение электрического напряжения, отвод тепла от кристалла и его защита от внешних воздействий. В нижней части корпуса может располагаться алюминиевый или латунный радиатор.

Верхняя часть корпуса представляет собой купол или линзу Френеля; её задача – формирование пучка света. Вместе с отражателем она формирует направление светового потока светодиода.

Светодиоды и печатные платы

В LED-лампах, состоящих из нескольких светодиодов, светодиоды монтируются на единую печатную плату, выполненную из материалов с хорошей теплопроводностью. Используемые платы могут быть как простыми однослойными, так и многослойными, как жёсткими, так и гибкими, и различной формы – квадратными, круглыми, в форме звезды и т.д. Форма и размеры зависят от характеристик светодиодов и особенностей и назначения самого осветительного прибора, в котором они используются.

Главный фактор – теплоотведение, поэтому при использовании светодиодов мощностью более 0,5 Вт используются платы с металлическим основанием. Чаще всего с алюминиевым — благодаря его лёгкости, невысокой стоимости, хорошей теплопроводности и пластичности.

Применяются также основания из меди и нержавеющей стали. Паяльная маска на платах для светодиодов обычно белая – для улучшенной светоотдачи, хотя могут использоваться и другие цвета, в том числе и матовый чёрный, например, если нужно уменьшить блики.

Конструкция светодиодного светильника

Рекомендуемая температура эксплуатации светодиодов не должна превышать 125-150 градусов Цельсия на кристалле светодиода. С учётом теплового сопротивления конструкционных материалов между кристаллом с печатной платой температура светодиода на печатной плате не может значительно отличаться от указанной для кристалла.

Для современных светодиодов средней мощности (1-5 Ватт) температура печатной платы не должна превышать 85-100 градусов Цельсия. Вследствие этого ограничения конструкцией светодиодного светильника должен быть предусмотрен кондуктивный теплоотвод от печатной платы, который может быть реализован в виде радиатора. В качестве материала радиатора используют, как правило, алюминий.

Часто радиатор играет также роль шасси всей конструкции светодиодного светильника. Таким образом конструкция современного светодиодного светильника должна кардинально отличаться от конструкции светильников, использующих лампы накаливания.

Лампы накаливания должны как можно быстрее достигать рабочего теплового режима, поэтому их конструкции имеет шарообразную форму (сфера имеет минимальную площадь трёхмерной фигуры при максимальном замкнутом объёме). Для светодиодных светильников наиболее эффективной формой будет плоскость (наиболее технологичная форма — прямоугольник), имеющая оребрение радиатора на стороне, обращённой от плоскости излучения.

Для правильной эксплуатации светодиодного светильника важен способ установки в рабочей зоне. Светодиодный светильник должен иметь достаточно свободного пространства вокруг радиатора для свободной циркуляции охлаждающего воздуха.

Хорошо спроектированный, правильно изготовленный и установленный светодиодный светильник будет радовать пользователя надёжностью в течение десятилетий непрерывной работы.