Co to jest LED?

Co to jest dioda LED?

Definicja diody LED

Dioda LED (Light Emitting Diode) to urządzenie półprzewodnikowe, które emituje światło, gdy przez nią przepływa prąd elektryczny.Starsze technologie LED wykorzystywały fosfor arsenidu galu (GaAsP), fosfor galu (GaP) i arsenid galu z aluminium (AlGaAs).Diody LED produkują widzialne światło poprzez efekt elektroluminescencji, który występuje, gdy prąd stały przepływa przez domieszkowany kryształ z złączem PN.

Domieszkowanie polega na dodawaniu elementów z trzeciej i piątej kolumny układu okresowego. Gdy jest zasilane prądem IF (forward biased current), złącze p-n emituje światło o długości fali określonej przez lukę energetyczną aktywnej strefy (Eg).

Praca diody LED (LED)

Gdy prąd IF (forward biased current) przepływa przez złącze p-n diody, mniejszościowe nośniki ładunku elektronów są wstrzykiwane do regionu p, a odpowiadające im mniejszościowe nośniki ładunku elektronów są wstrzykiwane do regionu n. Emisja fotonów następuje w wyniku rekombinacji elektron-dziura w regionie p.

Przejście energii elektronów przez lukę energetyczną, zwane radiacyjną rekombinacją, produkuje fotony (tj. światło), podczas gdy boczne przejścia energii, zwane nie-radiacyjnymi rekombinacjami, produkuje fonony (tj. ciepło). Wydajności świetlne typowych diod LED AlInGaP i InGaN dla różnych długości fal szczytowych są przedstawione w tabeli poniżej.

Wydajność diod LED zależy od światła generowanego w złączeniu i strat związanych z ponownym pochłanianiem, gdy światło opuszcza kryształ. Ze względu na wysoki współczynnik załamania większości półprzewodników, większość światła odbija się z powrotem do kryształu, zmniejszając jego intensywność, zanim może uciec. Wydajność wyrażona w terminach tej ostatecznej mierzalnej widocznej energii nazywana jest wydajnością zewnętrzną.

Zjawisko elektroluminescencji zostało zaobserwowane w 1923 roku w naturalnie występujących złączach, ale było wtedy niepraktyczne ze względu na niską wydajność luminiscencyjną w konwersji energii elektrycznej na światło. Dziś wydajność znacznie wzrosła, a diody LED są używane nie tylko w sygnalizatorach, wskaźnikach, znakach i wyświetlaczy, ale także w aplikacjach oświetlenia wnętrz i drogowego.

Kolor diody LED

Kolor urządzenia LED wyraża się w terminach dominującej długości fali emitowanej, λd (w nm). Diody LED AlInGaP produkują kolory: czerwony (626 do 630 nm), czerwono-pomarańczowy (615 do 621 nm), pomarańczowy (605 nm) i żółty (590 do 592 nm). Diody LED InGaN produkują kolory: zielony (525 nm), niebiesko-zielony (498 do 505 nm) i niebieski (470 nm). Kolor i napięcie przódowe diod LED AlInGaP zależą od temperatury złącza p-n diody.

Gdy temperatura złącza p-n diody LED wzrasta, natężenie luminiscencyjne maleje, dominująca długość fali przesuwa się w kierunku dłuższych długości fal, a napięcie przódowe spada. Wariacja natężenia luminiscencyjnego diod LED InGaN w zależności od temperatury otoczenia jest mała (około 10%) od − 20°C do 80°C. Jednak dominująca długość fali diod LED InGaN zmienia się w zależności od prądu sterującego diodą; gdy prąd sterujący diodą wzrasta, dominująca długość fali przesuwa się w kierunku krótszych długości fal.

Jeśli szukasz kolorowych diod LED do projektu elektronicznego, najlepsze zestawy startowe Arduino zawierają różne kolorowe diody LED.

Tłumienie

Diody LED mogą być tłumione, aby dać 10% ich nominalnego natężenia światła, poprzez zmniejszenie prądu napędowego. Diody LED są ogólnie tłumione przy użyciu technik modulacji szerokości impulsu (Pulse Width Modulation).

Niezawodność

Maksymalna temperatura złącza (TJMAX) jest kluczowa dla długowieczności diody LED. Przekroczenie tej temperatury zwykle uszkadza urządzenie zaszyte w obudowie. Długość życia diody LED mierzy się średnią czasem między awariami (MTBF), obliczaną przez testowanie wielu diod LED przy standardowym prądzie i temperaturze, aż połowę z nich zepsuje.

Białe diody LED

Białe diody LED są teraz produkowane dwoma metodami: w pierwszej metodzie czerwone, zielone i niebieskie czipy LED są łączone w jednej obudowie, aby produkować białe światło; w drugiej metodzie używa się fosforescencji. Fluorescencja w fosforze, który jest zakapsułowany w epoksydzie otaczającym chip diody LED, jest aktywowana przez krótkofalową energię z urządzenia LED InGaN.

Wydajność luminiscencyjna

Wydajność luminiscencyjna diody LED definiuje się jako emisja natężenia luminiscencyjnego (w lm) na jednostkę zużytej mocy elektrycznej (w W). Niebieskie diody LED mają nominalną wydajność wewnętrzną rzędu 75 lm/W; czerwone diody LED, około 155 lm/W; a brązowe diody LED, 500 lm/W. Biorąc pod uwagę straty związane z wewnętrznym ponownym pochłanianiem, wydajność luminiscencyjna wynosi około 20 do 25 lm/W dla brązowych i zielonych diod LED. Ta definicja wydajności nazywana jest wydajnością zewnętrzną i jest analogiczna do definicji wydajności stosowanej dla innych typów źródeł światła.