Bagaimana LED disusun dan berfungsi

Peranti semikonduktor memancarkan cahaya digunakan secara meluas untuk sistem lampu dan sebagai petunjuk arus elektrik. Mereka berkaitan dengan peranti elektronik yang beroperasi di bawah voltan yang digunakan.

Oleh kerana nilainya adalah tidak penting, sumber tersebut termasuk peranti voltan rendah, mereka mempunyai tahap keselamatan yang lebih tinggi mengenai kesan arus elektrik pada tubuh manusia. Risiko kecederaan meningkat apabila sumber voltan meningkat, sebagai contoh, rangkaian rumah isi rumah, yang memerlukan kemasukan bekalan kuasa khas dalam litar, digunakan untuk menerangi mereka.

Ciri tersendiri reka bentuk LED adalah kekuatan mekanikal perumahan yang lebih tinggi daripada lampu Illich dan pendarfluor. Dengan operasi yang betul, mereka bekerja lama dan boleh dipercayai. Sumber mereka adalah 100 kali lebih tinggi daripada filamen pijar, mencapai seratus ribu jam.

Walau bagaimanapun, penunjuk ini adalah ciri untuk reka bentuk penunjuk. Sumber kuasa tinggi menggunakan arus tinggi untuk pencahayaan, dan hayat perkhidmatan dikurangkan sebanyak 2-5 kali.

Peranti LED

LED penunjuk konvensional dibuat dalam kes epoksi dengan diameter 5 mm dan dua lead kenalan untuk sambungan ke litar arus elektrik: anod dan katod. Secara visual mereka berbeza panjang. Untuk peranti baru tanpa memotong kenalan, katod adalah lebih pendek.

Peraturan mudah membantu mengingati kedudukan ini: kedua-dua perkataan bermula dengan huruf "K":

• katod;

• ringkasnya.

Apabila kaki LED dipotong, anod dapat ditentukan dengan menggunakan voltan 1.5 voltan dari bateri jari mudah ke kenalan: cahaya muncul apabila polaritas bertepatan.

Lampu yang memancarkan kristal tunggal aktif semikonduktor mempunyai bentuk parallelepiped segi empat tepat. Ia diletakkan berhampiran dengan reflektor parabola yang diperbuat daripada aloi aluminium dan dipasang pada substrat dengan sifat tidak konduktif.

Pada akhir kes telus telus yang diperbuat daripada bahan polimer, ada lensa yang memfokuskan sinar cahaya. Ia, bersama dengan reflektor, membentuk sistem optik yang membentuk sudut fluks radiasi. Ia dicirikan oleh corak pengarah LED.

Ia menyifatkan sisihan cahaya dari paksi geometri struktur keseluruhan ke sisi, yang membawa kepada peningkatan penyebaran. Fenomena ini berlaku kerana penampilan pelanggaran teknologi kecil semasa pengeluaran, serta penuaan bahan optik semasa operasi dan beberapa faktor lain.

Sebuah tali pinggang aluminium atau tembaga boleh terletak di bahagian bawah kes, berfungsi sebagai radiator untuk mengeluarkan haba yang dihasilkan semasa laluan arus elektrik.

Prinsip reka bentuk ini tersebar luas. Pada asasnya, sumber cahaya semikonduktor yang lain juga dicipta menggunakan bentuk lain unsur-unsur struktur.

Prinsip pelepasan cahaya

Persimpangan semikonduktor jenis p-n disambungkan kepada sumber voltan malar mengikut polariti terminal.

Di dalam lapisan hubungan bahan p dan n-jenis, di bawah tindakannya, pergerakan elektron dan lubang bercas negatif percuma bermula, yang mempunyai tanda caj positif. Zarah-zarah ini diarahkan ke kutub mereka.

Dalam lapisan peralihan, caj tersebut dikombinasikan semula. Elektron lulus dari jalur konduksi ke band valensi, mengatasi tahap Fermi.

Disebabkan ini, sebahagian daripada tenaga mereka dibebaskan dengan pelepasan gelombang cahaya pelbagai spektrum dan kecerahan. Kekerapan gelombang dan pembiakan warna bergantung pada jenis bahan campuran yang dibuat persimpangan p-n.

Untuk radiasi cahaya di dalam zon aktif semikonduktor, dua syarat mesti dipenuhi:

1. ruang zon larangan yang luas di rantau aktif harus berada dekat dengan tenaga quanta yang dipancarkan dalam rentang kekerapan yang dapat dilihat oleh mata manusia;

2. Ketulenan bahan kristal semikonduktor mestilah tinggi, dan bilangan kecacatan yang mempengaruhi proses penggabungan adalah minimum yang mungkin.

Masalah teknikal yang sukar ini diselesaikan dalam beberapa cara. Salah satunya adalah penciptaan beberapa lapisan persimpangan p-n apabila heterostruktur kompleks dibentuk.

Kesan suhu

Oleh kerana tahap voltan sumber meningkat, arus melalui lapisan semikonduktor meningkat dan luminescence bertambah: peningkatan bilangan cas bagi setiap masa unit memasuki zon rekombinasi. Pada masa yang sama, elemen membawa semasa dipanaskan. Nilainya adalah kritikal untuk bahan konduktor arus dalaman dan bahan persimpangan pn. Suhu yang berlebihan boleh merosakkannya, memusnahkannya.

Di dalam LED, tenaga arus elektrik berpindah ke cahaya secara langsung, tanpa proses yang tidak perlu: tidak seperti dengan lampu dengan filamen pijar. Dalam kes ini, kerugian minima kuasa berguna dibentuk kerana pemanasan rendah unsur konduktif.

Disebabkan ini, kecekapan tinggi sumber-sumber ini dicipta. Tetapi, mereka boleh digunakan hanya di mana struktur itu sendiri dilindungi, disekat dari pemanasan luaran.

Ciri-ciri kesan pencahayaan

Apabila penggabungan lubang-lubang dan elektron dalam komposisi yang berbeza dari bahan simpang pn, pancaran cahaya yang tidak sama rata dibuat. Adalah lazim untuk mencirikannya dengan parameter hasil kuantum - bilangan kuant cahaya yang diekstrak untuk pasangan caj tunggal yang dikombinasikan.

Ia terbentuk dan berlaku pada dua peringkat LED:

1. di dalam persimpangan semikonduktor itu sendiri - dalaman;

2. dalam reka bentuk keseluruhan LED secara keseluruhan - luaran.

Di peringkat pertama, hasil kuantum kristal tunggal yang betul dapat mencapai nilai hampir 100%. Tetapi, untuk memastikan penunjuk ini, diperlukan untuk membuat arus besar dan pelesapan haba yang kuat.

Di dalam sumber itu sendiri, di tingkat kedua, sebahagian cahaya tersebar dan diserap oleh elemen struktur, yang mengurangkan kecekapan radiasi keseluruhan. Nilai maksimum hasil kuantum jauh lebih rendah. Untuk LED yang memancarkan spektrum merah, ia mencapai tidak lebih daripada 55%, manakala untuk biru ia berkurangan bahkan lebih - sehingga 35%.

Jenis penghantaran cahaya warna

LED moden mengeluarkan:

• kuning:

• hijau

• merah

• biru

• biru

• cahaya putih.

Spektrum kuning hijau, kuning dan merah

Persimpangan pn adalah berdasarkan gallium phosphides dan arsenida. Teknologi ini dilaksanakan pada akhir 60-an untuk penunjuk peralatan elektronik dan panel kawalan peralatan pengangkutan, papan iklan.

Peranti output cahaya sedemikian segera mengatasi sumber cahaya utama masa itu - lampu pijar dan melepasi mereka dalam kebolehpercayaan, sumber dan keselamatan.

Spektrum biru

Pengemulsi spektrum biru, biru-hijau dan terutama putih tidak meminjamkan diri kepada pelaksanaan praktikal untuk masa yang lama kerana masalah penyelesaian rumit dari dua masalah teknikal:

1. saiz terhad zon terlarang di mana penggabungan dilakukan;

2. keperluan yang tinggi untuk kandungan kekotoran.

Untuk setiap langkah meningkatkan kecerahan spektrum biru, peningkatan tenaga quanta diperlukan kerana perluasan lebar zon terlarang.

Isu ini telah diselesaikan dengan kemasukan silikon karbida SiC atau nitrida dalam bahan semikonduktor. Tetapi, perkembangan kumpulan pertama ternyata mempunyai kecekapan yang terlalu rendah dan hasil radiasi kuantum yang kecil untuk satu tuduhan yang dikombinasikan.

Penyertaan penyelesaian pepejal selenida zink di persimpangan semikonduktor membantu meningkatkan hasil kuantum. Tetapi, LED tersebut mempunyai rintangan elektrik yang meningkat di persimpangan.Oleh kerana itu, mereka terlalu panas dan cepat terbakar, dan struktur kompleks dalam pembuatan penyingkiran haba untuk mereka tidak berfungsi dengan berkesan.

Buat kali pertama, LED biru dicipta menggunakan filem tipis galium nitride yang didepositkan pada substrat nilam.

Spektrum putih

Untuk mendapatkannya, gunakan salah satu daripada tiga teknologi yang dibangunkan:

1. pencampuran warna mengikut kaedah RGB;

2. memohon tiga lapisan fosfor merah, hijau dan biru kepada ultraviolet LED;

3. salutan LED biru dengan lapisan fosfor kuning-hijau dan hijau-merah.

Dalam kaedah pertama, tiga kristal tunggal ditempatkan pada satu matriks sekaligus, masing-masing memancarkan spektrum RGBnya sendiri. Oleh kerana reka bentuk sistem optik berasaskan kanta, warna-warna ini bercampur dan keluaran yang terhasil adalah warna putih total.

Dalam kaedah alternatif, pencampuran warna berlaku kerana penyinaran berturut-turut dengan radiasi ultraviolet daripada tiga lapisan fosfor konstituen.

Ciri-ciri teknologi spektrum putih

Teknik RGB

Ia membolehkan anda untuk:

• melibatkan pelbagai kombinasi kristal tunggal dalam algoritma kawalan pencahayaan, menghubungkannya secara bergantian secara manual atau dengan program automatik;

• menyebabkan pelbagai warna yang berubah dari masa ke masa;

• mewujudkan sistem pencahayaan yang menakjubkan untuk pengiklanan.

Satu contoh mudah pelaksanaan sedemikian adalah warna garland natal. Algoritma serupa juga digunakan secara meluas oleh pereka.

Kelemahan LED RGB adalah:

• warna heterogen dari tempat cahaya di tengah dan tepi;

• pemanasan yang tidak rata dan penyingkiran haba dari permukaan matriks, yang membawa kepada kadar penuaan persimpangan yang berbeza-beza, yang mempengaruhi keseimbangan warna, mengubah kualiti keseluruhan spektrum putih.

Kelemahan ini disebabkan oleh susunan satu kristal tunggal di permukaan asas. Mereka sukar untuk menetapkan dan mengkonfigurasi. Oleh kerana teknologi ini, model RGB adalah antara reka bentuk yang paling kompleks dan mahal.

LED dengan fosfor

Mereka lebih mudah dalam reka bentuk, lebih murah untuk menghasilkan, lebih ekonomik apabila ditukar kepada unit radiasi fluks bercahaya.

Mereka dicirikan oleh keburukan:

• dalam lapisan fosfor terdapat kehilangan tenaga cahaya, yang mengurangkan output cahaya;

• kerumitan teknologi untuk memohon lapisan fosfor seragam mempengaruhi kualiti suhu warna;

• Fosfor mempunyai kehidupan yang lebih pendek daripada LED sendiri dan usia lebih cepat semasa digunakan.

Ciri-ciri LED reka bentuk yang berbeza

Model fosfor dan produk RGB dicipta untuk pelbagai aplikasi perindustrian dan domestik.

Kaedah Pemakanan

Petunjuk LED dari jisim jisim pertama menggunakan kira-kira 15 mA apabila dikuasakan dari nilai yang lebih rendah daripada dua voltan voltan malar. Produk moden telah meningkatkan ciri-ciri: sehingga empat volt dan 50 mA.

LED untuk lampu dikuasakan oleh voltan yang sama, tetapi sudah mengambil beberapa ratus milliamps. Pengeluar kini aktif membangun dan merekabentuk peranti sehingga 1 A.

Untuk meningkatkan kecekapan output cahaya, modul LED dicipta yang boleh menggunakan bekalan voltan berikutan untuk setiap elemen. Dalam kes ini, nilainya meningkat kepada 12 atau 24 volt.

Apabila memohon voltan kepada LED, polariti mesti diambil kira. Apabila ia pecah, arus tidak lulus dan tidak akan ada cahaya. Jika isyarat sinusoidal berselang digunakan, cahaya hanya berlaku apabila gelombang separuh positif dihantar. Selain itu, kekuatannya juga berubah mengikut undang-undang dari kemunculan magnitud semasa yang bersamaan dengan arah kutub.

Perlu diingatkan bahawa dengan voltan terbalik, perpecahan persimpangan semikonduktor adalah mungkin. Ia berlaku apabila melebihi 5 volt pada satu kristal tunggal.

Kaedah pengurusan

Untuk menyesuaikan kecerahan cahaya yang dipancarkan, satu daripada dua kaedah kawalan digunakan:

1. magnitud voltan yang disambungkan;

2. menggunakan Modulasi Lebar Pulse - PWM.

Kaedah pertama adalah mudah tetapi tidak cekap. Apabila paras voltan jatuh di bawah ambang tertentu, LED hanya boleh keluar.

Kaedah PWM menghapuskan fenomena ini, tetapi ia lebih rumit dalam pelaksanaan teknikal. Arus yang dilalui melalui persimpangan semikonduktor kristal tunggal dibekalkan bukan oleh bentuk yang berterusan, tetapi oleh frekuensi tinggi berdenyut dengan nilai dari beberapa ratus hingga seribu hertz.

Dengan mengubah lebar denyutan dan jeda di antara mereka (proses dipanggil modulasi), kecerahan cahaya diselaraskan ke atas pelbagai. Pembentukan arus ini melalui kristal tunggal dijalankan oleh unit kawalan khas yang boleh diprogramkan dengan algoritma kompleks.

Spektrum pelepasan

Kekerapan sinaran yang muncul dari LED terletak di rantau yang sangat sempit. Ia dipanggil monokromatik. Ia pada asasnya berbeza dari spektrum gelombang yang berpunca dari Matahari atau filamen pijar mentol biasa.

Terdapat banyak perbincangan mengenai kesan pencahayaan seperti itu pada mata manusia. Walau bagaimanapun, hasil analisis saintifik yang serius mengenai isu ini tidak diketahui oleh kami.

Pengeluaran

Dalam pembuatan LED, hanya satu garisan automatik yang digunakan, di mana mesin robot bekerja mengikut teknologi pra-direka.

Buruh manual fizikal seseorang dikecualikan sepenuhnya dari proses pengeluaran.

Pakar terlatih hanya menjalankan kawalan ke atas teknologi yang betul.

Analisis kualiti produk juga merupakan tanggungjawab mereka.