Что такое светодиоды, виды, характеристики

Какие светодиоды бывают, принцип работы, где применяются

Светодиод (LED) - это оптоэлектронное полупроводниковое устройство, которое генерирует свет посредством электролюминесценции. Он содержит p-n переход, через который пропускается электрический ток. Ток генерирует электроны и дырки, которые выделяют свои энергетические порции в виде фотонов при рекомбинации. Хотя фундаментальный процесс генерации света такой же, как и в лазерных диодах, светоизлучающие диоды не проявляют лазерного воздействия, их оптический спектр значительно шире.

В 2014 году Нобелевская премия по физике 2014 была присуждена Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура “за изобретение эффективных синих светодиодов, которые стали началом появления ярких и энергосберегающих источников белого света”. 

До того, как эта работа была выполнена, не могли быть изготовлены эффективные синие светодиоды, а также не было светодиодов с белым излучением, которые обычно необходимы для целей освещения. 

Исследователям удалось разработать эффективные светодиоды с синим излучением на основе нитрида индия-галлия (InGaN). Необходимо было разработать методы получения таких материалов с высоким качеством. 

В результате этих разработок в последнее время широко стало использоваться светодиодное освещение, частично заменившее традиционные источники света. Поскольку LED освещение гораздо более энергоэффективно, стало возможным существенное сокращение выбросов на электростанциях (_CO2, ядовитые газы, тяжелые металлы и т.д.).

Материалы и длины волн излучения

Центральная длина волны и цвет излучения светодиода в значительной степени определяются энергией запрещенной зоны используемого полупроводникового материала. По существу, вся область видимых длин волн может быть покрыта светодиодами, хотя достижимая выходная мощность и эффективность не одинаково высоки для всех длин волн.

Большинство светодиодных чипов изготовлены из неорганических полупроводниковых материалов. Для глубокого красного излучения можно использовать арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), который в остальном является обычным для лазерных диодов ближнего инфракраного диапазона. 

Более короткие длины волн в красной области спектра достигаются с помощью фосфида арсенида галлия (GaAsP) и фосфида алюминия индия галлия (AlInGaP). Внутренняя квантовая эффективность может быть близка к 100% для длин волн излучения около 650 нм, тогда как высокой эффективности гораздо труднее достичь при более коротких длинах волн 620 нм, где человеческий глаз более чувствителен. 

Другая проблема заключается в том, что повышение температуры, которой трудно избежать в мощных светодиодах, снижает квантовую эффективность и увеличивает длину волны излучения. Поэтому для мощных светодиодов необходимы эффективные методы охлаждения. Обратите внимание, что потребляемая тепловая мощность не очень велика, она выделяется в очень небольшом объеме и площади. Нередко несколько ватт рассеивается на один миллиметр в квадрате.

Нитрид индия-галлия (InGaN) очень подходит для синих и фиолетовых светодиодов. Несмотря на высокую плотность дефектов в этих материалах, достигается внутренняя квантовая эффективность выше 70 - 90%. Более длинные волны (зеленый и желтый) получаются за счет увеличения содержания индия (In), но эффективность резко падает с увеличением длины волны.

Технологически наиболее сложной спектральной областью (в видимом диапазоне) является область зелено-желто-оранжевого света. Ведутся интенсивные исследования, чтобы заполнить этот "вакумм", называемый зеленым пробелом. Светодиоды на основе GaAsP имеют более низкую эффективность, чем, например, красные светодиоды. Селенид цинка (ZnSe) и теллурид селенида цинка (ZnSeTe) были разработаны для зеленого излучения, но срок службы и эффективность устройства не являются удовлетворительными для целей освещения. Поэтому рассматриваются различные другие материалы, в том числе модифицированные сплавы и оксихалькогениды.

Белый свет может генерироваться либо путем смешивания выходов, например, красных, зеленых и синих светодиодов, либо с помощью одного синего светодиода и некоторого количества люминофора, который преобразует часть синего света в свет с большей длиной волны. 

Это преобразование обычно выполняется либо с другим полупроводником (например, ZnS), либо с сцинтилляционным кристаллом, содержащим редкоземельные ионы, такие как Eu ^{2 +} (европий) или Ce ^{3 +} (церий). Например, Ce ^{3 +}: YAG можно использовать для преобразования синего света около 440-460 нм в желтый свет около 520-640 нм. 

Модифицированные хосты, например, с заменой части иттрия в YAG на гадолиний (Gd³⁺), приводят к смещению диапазонов излучения ионов церия. Индекс цветопередачи таких белых светодиодов обычно не очень высок, но его можно улучшить, например, комбинируя желтые и красные люминофоры.

Существуют также светодиоды ближнего инфракрасного диапазона, основанные, например, на AlGaAs, и ультрафиолетовые светодиоды, использующие такие материалы, как нитрид галлия (GaN).

Органические светодиоды

Более недавней разработкой являются светодиоды на основе органических полупроводников, называемые OLED (органические светоизлучающие диоды). Такие устройства изготавливаются методами, которые полностью отличаются от методов для неорганических светодиодов. Они собираются из различных тонких эластичных слоев для выполнения таких функций, как катод и анод, транспортные слои, излучающий слой и т.д.

Возможно даже использовать биологические материалы, например, молекулы ДНК могут демонстрировать высокоэффективную электролюминесценцию. Такие материалы обладают потенциалом для дешевого массового изготовления больших и механически гибких устройств с обработкой раствором. Поэтому они представляются очень перспективными для будущих применений в области освещения.

Однако для повышения эффективности и срока службы устройства, помимо снижения стоимости, требуются дальнейшие исследования и разработки. Например, телевизоры на базе OLED имеют привлекательные дисплеи с яркими цветами, которые мало зависят от направления просмотра, но они дороги и могут страдать от проблем с выгоранием, связанных с деградацией светодиодов.

Структура светодиода

Светодиоды с поверхностным излучением

Светодиоды с поверхностным излучением (SLED) имеют тонкий активный слой, параллельный поверхности, из которой извлекается свет. В простой конфигурации плоского диода  активный слой находится чуть ниже излучающей поверхности, а ток подается кольцевым электродом. Свет, излучаемый в “неправильном” направлении, поглощается подложкой. Существуют также устройства, в которых подложка сделана прозрачной, а задний электрод отражает этот свет, так что, некоторая его часть может быть использована.

Одним из вариантов является светодиод типа Burrus, в котором активный слой может быть глубже внутри первоначально выращенной полупроводниковой структуры, а канавка, выгравированная в структуре, обеспечивает более эффективное извлечение света. Также возможно ввести волокно в желоб, чтобы получить светодиод, соединенный с волокном.

Особым типом является светодиод с резонансным резонатором (RC-LED), который имеет светоизлучающий полупроводниковый переход, встроенный между двумя распределенными брэгговскими отражателями (зеркала Брегга), то есть в оптический резонатор. Из-за умеренной добротности генерации не происходит, но получается большая направленность по сравнению с обычными светодиодами. 

Эта концепция упрощает достижение эффективного отвода света и увеличивает выходного сигнала, что может принести пользу, например, приложениям в волоконно-оптической связи. Внешняя квановая эффективность может легко превышать 20%. Полоса пропускания излучения меньше, чем у других светодиодов.

Светодиоды с излучением по краям

Светодиоды с краевым излучением имеют структуру, аналогичную структуре полупроводниковых лазеров с краевым излучением: они излучают от края расщепленной пластины, где активная область встречается с расщепленной поверхностью. Такие устройства обеспечивают более эффективное соединение волокон, чем светодиоды с поверхностным излучением. Применяемые в волоконно-оптической связи, они обеспечивают более высокую скорость передачи данных.

Вариантом светодиода с излучением по краям является суперлюминесцентный диод (SLD), в котором спонтанное излучение существенно усиливается в волноводе. Здесь излучение гораздо более направленное, и, как следствие, яркость намного выше, даже для SLD с довольно низкой выходной мощностью.

Основные свойства и характеристики светодиодов

Эмиссионные свойства

Свет, излучаемый светодиодами, имеет низкую пространственную когерентность. Первоначально он излучается во всех направлениях. Несмотря на то, что многие светодиодные устройства излучают свет преимущественно в одном направлении (часто через встроенные отражающие структуры), фокусирующая способность (качество луча) очень низкая по сравнению, например, с лазерными диодами.

Полоса пропускания излучения обычно составляет несколько десятков нанометров (например, 40 нм) или даже >100 нм. Т.е намного шире, чем у лазерных диодов, и сравнима с полосой пропускания суперлюминесцентных диодов. Это означает, что временная когерентность намного ниже, чем у лазера, хотя она намного выше, чем, например, у лампы накаливания.

Эффективность

Внутренний процесс генерации света в светодиоде, как описано выше, может иметь очень высокую квантовую эффективность и энергоэффективность, по крайней мере, в сине–фиолетовой и в красной области спектра. Тем не менее, эффективность устройства ранних светодиодов была относительно низкой. Причина в том, что было невозможно эффективно извлекать генерируемый внутри свет, т.к большая часть генерируемого света поглощалась внутри устройства. 

Ключевой проблемой является полное внутреннее отражение на поверхности полупроводникового материала: из-за высокой показатель преломления, свет может рассеиваться только при относительно малых углах падения, и даже тогда имеет место существенное отражение по Френелю. В некоторых светодиодах также существует проблема с реабсорбцией света в подложке.

В 1990-х годах были разработаны усовершенствованные конструкции светодиодов, которые обеспечивают довольно эффективное извлечение света и, таким образом, достигают гораздо более высокой эффективности устройства. 

Примерами используемых мер являются шероховатые поверхности и интегрированные фотонно-кристалические структуры. Светоотдача теперь может значительно превышать 200 лм / Вт, то есть значительно лучше, чем у люминесцентных ламп. Помимо эффективности самого источника света, направленное излучение облегчает достижение высокой эффективности всей системы освещения по сравнению с всенаправленными излучателями, где в корпусе лампы может теряться много света.

Возможная проблема (называемая “снижением эффективности”) синих светодиодов на основе GaInN, также используемых в белых светодиодах, заключается в том, что эффективность имеет тенденцию к существенному снижению, когда светодиод сильно накачан (для работы с высокой мощностью). Эта проблема, по-видимому, вызвана прямыми и косвенными эффектами Оже.

Срок службы светодиодов

Светоизлучающие диоды на основе неорганических полупроводников могут иметь очень длительный срок службы, который может превышать 100 000 часов. Таким образом, светодиоды относятся к наиболее долговечным осветительным устройствам.

С другой стороны, светодиоды относительно чувствительны к чрезмерным обратным напряжениям и могут быть разрушены электростатическим разрядом при неправильном обращении. Кроме того, срок службы значительно сокращается при работе со слишком большим током и / или при слишком высоких температурах окружающей среды.

Электрические характеристики

Как и в случае с любым другим полупроводниковым диодом, ток может протекать через светодиод только от p-легированной части к n-легированной части (обычное направление тока). Обратное напряжение более нескольких вольт может разрушить светодиод.

В прямом направлении ток остается очень маленьким для низких напряжений, а затем очень быстро (экспоненциально) возрастает с увеличением напряжения. Поэтому светодиоды обычно не могут работать при постоянном напряжении, то ток необходимо стабилизировать, например, при работе с источником тока или при использовании простого последовательного сопротивления для подключения к источнику постоянного напряжения. 

Излучаемая оптическая мощность пропорциональна рабочему току, за исключением случаев, когда индуцированное повышение температуры снижает квантовую эффективность. Рабочее напряжение в значительной степени определяется энергией запрещенной зоны материала и, следовательно, длиной волны излучения; красные светодиоды могут работать при напряжении менее 2 В, в то время как синие требуют порядка 4 В.

Основные преимущества светодиодов

• Эффективность устройства может быть очень высокой, что приводит к небольшому потреблению электроэнергии и низкому тепловыделению. 
• Эффективность лампы часто дополнительно повышается за счет более направленного излучения светодиодов, уменьшая количество света, которое теряется в корпусе лампы.
• Срок службы устройства очень велик. Обычно это заканчивается постепенной потерей яркости, а не резким отказом.
• Большие светодиодные лампы содержат несколько светодиодов и могут оставаться в основном функциональными, когда один светодиод выходит из строя. Это особенно важно там, где безопасность имеет решающее значение.
• Свет с определенными цветами (например, для светофоров) может генерироваться напрямую. Это более эффективно, чем использование, например, лампы накаливания с цветным фильтром, который должен поглощать большую часть генерируемой оптической мощности.
• Светодиоды могут использоваться в очень компактных и легких корпусах.
• Они механически очень прочные и могут выдерживать даже сильные механические удары.
• Когда белый свет генерируется с помощью отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, цветовой тон можно регулировать, регулируя относительные рабочие токи.
• Затемнение возможно путем уменьшения тока или быстрого включения и выключения с переменным рабочим циклом. В любом случае, при затемнении светодиода эффективность использования энергии сохраняется, а цветовой тон остается неизменным. 
• Выходную мощность светодиода можно очень быстро модулировать. Возможны частоты модуляции в сотни мегагерц, поскольку время жизни несущей составляет всего несколько наносекунд. Это полезно, например, для оптической передачи данных.
• Светодиоды содержат ядовитые вещества, такие как арсенид галлия, но только в небольших количествах.

Минусы

• Стоимость одного ватта выходной мощности светодиода для освещения относительно высока, но быстро снижается с дальнейшим развитием технологии – в основном за счет увеличения выходной мощности светодиодных чипов. Кроме того, более высокая стоимость может быть компенсирована снижением потребления электроэнергии и длительным сроком службы.
• Хотя светодиод выделяет меньше тепла, чем лампа накаливания с той же оптической мощностью, для предотвращения перегрева необходимо достаточное отвод тепла, что приведет к сокращению срока службы.
• Индекс цветопередачи некоторых белых светодиодов низкий, что делает их непригодными для определенных применений.
• Поскольку доступные источники питания обычно обеспечивают (приблизительно) постоянное напряжение, рабочий ток необходимо стабилизировать с помощью некоторой электроники. Может использоваться довольно простая электроника, но часто портит общую энергоэффективность.

Области применения светодиодов

Маленькие светодиоды очень широко используются в качестве небольших сигнальных огней. Работающие с током, например, 5-20 мА, такие устройства излучают достаточно света, чтобы его можно было увидеть при нормальном окружающем освещении, и могут использоваться разные цвета, например, для сигнализации различных состояний устройства.

Поскольку светодиоды можно быстро модулировать, они подходят для передачи данных по оптоволокну на короткие расстояния. Хотя плохая направленность их излучения требует использования многомодовых волокон и, таким образом, ограничивает расстояния передачи, стоимость значительно ниже, чем для системы с одномодовыми волокнами и передатчиками на лазерных диодах. Умеренно быстрая модуляция мощности также полезна, например, для применения в световых барьерах, поскольку модулируемый светодиодный свет легко отличить от окружающего света, а также для дистанционного управления.

Светодиоды используются в качестве передатчиков света в большинстве оптоизоляторов.

Огромный прогресс в области мощных светодиодов в последнее время позволил использовать светодиоды для получения больших сигналов и в целях освещения. Поскольку стоимость одного ватта все еще относительно высока, а выходная мощность ограничена, такие приложения начали применяться в таких областях, как светофоры и стоп-сигналы для автомобилей, где достаточно умеренной оптической мощности, особенно важен длительный срок службы, а преимущество в эффективности по сравнению с фильтрованной лампой накаливания очень велико.

Светодиоды также широко используются для фоновой подсветки жидкокристаллических дисплеев, например, в экранах портативных компьютеров (ноутбуков), медиаплееров и сотовых телефонов, где сниженное потребление электроэнергии позволяет дольше работать от батареи. Еще одним преимуществом для экранов компьютеров и телевизоров является то, что можно добиться более ярких цветов по сравнению с подсветкой люминесцентных ламп. Высочайшее качество отображения часто достигается с помощью OLED, что, однако, увеличивает стоимость при сокращении срока службы.

Дальнейшие усовершенствованные устройства вскоре позволят использовать мощные белые светодиоды для основных огней автомобилей, для освещения жилых помещений и уличных фонарей. В некоторых областях, таких как самолеты, компактный размер корпуса и низкое потребление электроэнергии особенно важны.