Устройство и принцип работы светодиода

Светодиоды присутствуют везде: в домах, автомобилях, телефонах. С их помощью обеспечивается яркая подсветка экранов гаджетов, выпускаются экономичные источники освещения. Сейчас это незаменимые источники света. Рассмотрим устройство светодиода и принцип работы.

Что такое светодиод

Светодиод – это тип диодов, преобразующий электрическую энергию в световое излучение. Английское название светодиода – light emitting diode, или LED.

Цветовая гамма светодиодов

Виды диодов

Диоды подразделяются по материалу, конструкции, функциональности. Основными читаются три вида: DIP, COB, SMD.

DIP

DIP – этот тип популярен с 20 в. Он выглядит как колбочка из стекла или прозрачного пластика. Такие светодиодные колбочки служат линзами, через которые фокусируются световые потоки в том или ином направлении. Внутрь помещен полупроводниковый кристалл, который может быть синим, зеленым или красным.

Кристалл помещается на катод, с анодом его соединяет тонкий провод. Контакты выходят за границы линзы, образуя металлические ножки, которые удобно припаивать к печатной плате. Расстояние между платой и светодиодами заполняется термоклеем либо другим веществом, которое предохраняет конструкцию от попадания влаги и короткого замыкания.

Внутри колбочек есть микрочипы, регулирующие яркость, частоту мерцания и порядок подачи тока на кристаллы. Средний диаметр подобного светодиода – 3 мм. Яркость – до 14 000 кд/м².

Часто такие диоды применяют в качестве индикаторов для компьютеров, видеокамер, аккумуляторов, пылесосов и других устройств.

COB

COB – это конструкция в виде матрицы, которая содержит от нескольких десятков до сотен светоизлучающих кристаллов. Такие диоды называют еще «кристаллами на плате».

В СОВ-матрицах цена одного люмена может составлять от 0,07 до 0,2 руб. Плотность кристаллов доходит до 70 на 1 см². Люминофор может быть изготовлен в виде линзы, формирующей нужную диаграмму светового потока.

COB-матрица меньше размером, чем SMD-матрица.

Мощность – до 100 Вт, светоотдача – 120-160 Лм/Вт. Прослужить СОВ может около 50 000-60 000 часов. Ремонт такой матрицы светильника обойдется дешевле, чем покупка нового.

SMD

Кристалл у светодиодов SMD-типа крепится на подложке, которая отводит тепло. Анодный провод соединяет кристалл с анодом, внутри находится чип управления.

В верхней части закреплена сферическая линза из стекла или прозрачного пластика. «Ножки» у SMD отсутствуют, светодиоды припаиваются термоклеем к печатной плате. Наименьший размер SMD-светодиодов 0,6 х 0,3 мм.

Яркость – до 8000 кд/м². Общая масса кристаллов излучает 6000-7000 кд на 1 м². Миниатюрный размер позволяет приобретать их для дизайна, экранов больших размеров с высоким качеством разрешения.

Как устроен светодиод

Устройство светодиода достаточно простое. Кристалл с защитным корпусом располагается на подложке, излучающей тот или иной цвет. Для определенного свечения используют химический состав и люминофор.

Кристалл имеет два и более полупроводника разной проводимости.

У светодиода два контактных вывода – анод и катод, катод короче анода. Если длина одинаковая, то определить их можно пальчиковой батарейкой. Если появился свет, значит, перед вами анод.

Корпус заканчивается линзой. Рефлектор и линза образуют оптическую систему, формирующую угол потока. В нижней части корпуса можно увидеть алюминиевый или латунный поясок, выступающий в роли радиатора для отвода тепла, которое выделяется во время работы.

Из чего делают

Пластина подложки помещается в камеру, заполненную газообразными химическими веществами. Для пластины используют различные материалы, например, искусственный сапфир с подходящей кристаллической решеткой. Камеру нагревают, химические вещества оседают на пластине. Так образуется несколько слоев.

При помощи трафарета наносят золотые контакты. Затем пластину разрезают и получаются отдельные кристаллы с контактами. После этого кристаллы вставляются в корпус и покрываются люминофором.

Нет идентичных светодиодов. Они, как отпечатки пальцев - у  каждого свои характеристики. Светодиоды распределяют по цветам.

Производство светодиодов

В светодиодах свет излучает p-n переход, образованный двумя полупроводниковыми материалами огромной степени чистоты. В миллионах и десятках миллионов атомов полупроводникового кремния или германия, может присутствовать один или несколько атомов другого вещества-примеси. Если в полупроводник n- или p-типа ввести строго определенное количество легирующего металла, то получается сплав с требуемыми характеристиками.

Для изготовления кристалла светодиода с p-n переходом необходимо провести десятки технологических операций. Это:

• нагрев до строго определенной температуры;
• испарение металла в вакууме;
• осаждение металлических паров на поверхность полупроводника строго определенное время;
• поверхность должна иметь заданную температуру;
• давление в камере – точно соответствовать требуемому и мн. др.

С высокой точностью выдержать требуемые параметры всех операций невозможно. Поэтому операций выполняют с технологическими допусками – отклонениями. Даже в одной партии полупроводниковых приборов, изготовленных в один день возможен разброс параметров от десятков процентов до нескольких раз.

Готовые светодиоды в технологические партии сортируют по величине важнейших параметров, например по световому потоку, 10 Лм с точностью ± 5, 10 или 20%.

Американцы и англичане дискрет малой величины назвали bin или rank, а операцию сортировки каких-то предметов – биновка, распиновка или ранжирование.

Производство светодиодов ведут по важнейшим параметрам:

• величина светового потока;
• прямое рабочее напряжение на p-n переходе;
• оттенок свечения или цветовая температура и др. параметры.

Величина дискретизации в бинах конкретного светодиода дает инженерам информацию, как быстро он деградирует, т. е. меняет оттенок свечения, уменьшает яркость, качество света и цветовоспроизведения – Ra или CRI.

Светодиоды по bin-группам, например по цветопередаче сортируют люди-эксперты, а если параметр можно измерить – по приборам.

Что светится в светодиоде

В светодиоде светится полупроводниковый кристалл с p-n переходом, или электронно-дырочный переход. Ширина запрещенной зоны должна быть  близка к энергии квантов излучения, а наличие дефектов, которые влияют на рекомбинацию, должно быть сведено к минимуму. Но для работы светодиода выполнения этих условий недостаточно, нужны структуры из двух и более p-n переходов.

Цвета светодиодов

Получают желаемый цвет диода тремя технологиями: покрывают люминофором, используют RGB или полупроводниковые материалы.

Люминофор преобразует поглощаемую энергию в свет.

У этой технологии есть свои преимущества: простая конструкция и экономичность. Но есть и недостатки: из-за потерь световой энергии снижается светоотдача, срок службы небольшой. Обычно вещество используют для белых светодиодов с различной цветовой температурой.

В RGB-технологии при проектировании оптической системы 3 монокристалла со своим спектром цвета смешиваются и появляется нужный оттенок. Преимуществом этой технологии является возможность ручного или автоматического переключения цветов. Недостатки: неравномерный нагрев и отвод тепла.

Для производства светодиодов берут различные полупроводниковые материалы. От величины энергетического барьера и ширины запрещенной зоны зависит излучение различных участков спектра. Для определенных цветов используют соответствующие материалы: для ультрафиолетового и синего цвета берут за основу GaN и InGaN, для зеленого используют систему InGaN-GaN.

Наиболее часто в изготовлении используют красные, зеленые и синие светодиоды.

Какая полярность светодиодов

Если диод не светится, значит ток не движется по прямой. Это значит, что при производстве диода не были учтены катод и анод. Полярность светодиодов практически не подлежит визуальному определению. Выявить ее можно при помощи мультимера, технической документации и простого монтажа по схеме.

В диоде плюсом выступает анод, минусом – катод. Ток в светодиоде направлен от анода к катоду, поэтому потенциал анода выше катода. Только это условие обеспечивает правильную работу элемента. При ошибке подключения светодиод работать не будет.

P-n переход подключают к источнику постоянного напряжения в зависимости от полярности выводов. Под действием напряжения начинают двигаться свободные отрицательно заряженные электроны и дырки с положительным зарядом в направлении к полюсам.

В p-n переходе заряды создают рекомбинацию, электроны перемещаются из зоны проводимости в зону валентности, преодолевая уровень Ферми. Часть энергии выходит с выделением волн света разного спектра и яркости.

Почему светодиод может не светиться

В некоторых случаях светодиод может не светить, причин несколько. Светодиоды белого свечения могут иметь свой разброс порога «открывания», средние пределы – от 2,9 до 3,2 В, иногда они не горят при подключении к 3-вольтной батарейке. Причины:

• деталь некондиционная;
• плохой монтаж или пайка;
• проблема в стабилизации напряжения;
• завышение параметров производителем;
• ошибка в проектировании схемы или радиатора.

Приобретать такие источники света лучше у проверенных производителей, которые не завышают параметры, не допускают брака. Осведомленность о типичных неисправностях диода помогает сделать правильный выбор.

Чтобы предупредить перегрев детали, время пайки нужно сократить до 1 секунды. Для этого температуру жала паяльника нужно довести до 250°С, а само жало должно быть хорошо заточенным. Рекомендуется пользоваться припоем ПОС-61, а ПОС-41 исключить.