Цветни светодиоди: как получавате различните цветове?

Лос Цветни светодиоди Те ни придружават през последните години. Всеки път се появяват нови нюанси на светодиодите, тъй като не във всички случаи е било лесно. Например, като любопитство, трябва да знаете, че светодиодите с бяла светлина и светодиодите със синя светлина са едни от последните, които пристигат на пазара.

В момента те са станали вид диод от съществено значение за много области. Ето защо в тази статия ще научите Всичко, което трябва да знаете На тези основни електронни компоненти, и защо излъчват светлина, защо тези цветове и много повече...

Полупроводникови светоизлъчващи източници

Както трябва да знаете, двата източника на излъчване на светлина, които могат да идват от полупроводникови устройства, са Лазерни диоди и LED диоди. Докато LED се основава на спонтанно излъчване, лазерите се основават на стимулирано излъчване. Това е разликата между двете.

Лос диоди, излъчващи светлина (Light Emitting Diode) те са най-често срещаният източник на светлина сред електронното оборудване. Използват се за показване на часа на цифрови часовници, за сигнализиране на работа или зареждане на батерията и др. Приложенията са много, а сега скочиха и в осветлението с новите LED крушки за осветяване на всякакви помещения и дори за превозни средства.

Тези LED устройства принадлежат към групата на опто-полупроводници, способен да преобразува електрически ток в светлина. Това осветително устройство има голямото предимство да е издръжливо, тъй като не изгаря като електрическите крушки, а също така е много по-ефективно, така че консумацията е много по-ниска от обикновените крушки. Освен това производствената им цена е много ниска, поради което са станали толкова популярни.

Като всяко друго полупроводниково устройство, светодиодът има основните основни елементи, като например P зони с дупки (+) и N зони с електрони (-), тоест обичайните носители на заряд на всеки полупроводник. И това прави:

• Когато страната P е свързана към захранване, а страната N към земята, връзката е предубедена, позволявайки на тока да тече през диода и излъчва светлина, която всички можем да видим.
• Ако страната P е свързана към земята, а страната N е свързана към захранването, се казва, че връзката е с обратно отклонение, което предотвратява протичането на ток. Вече знаете, че диодите предотвратяват преминаването на ток в една посока.
• Когато са предубедени, P-страната и N-страната на мнозинството и малцинството носители на заряд се комбинират помежду си, неутрализирайки носителите на заряд в слоя на изчерпване на PN прехода. И на свой ред тази миграция на електрони и дупки освобождава определено количество фотони, тоест част от енергията се излъчва под формата на светлина с постоянна (монохроматична) дължина на вълната. Това е, което ще характеризира цвета на светодиода, тъй като в зависимост от дължината на вълната, която излъчва, той може да бъде IR, син, жълт, зелен, жълт, кехлибарен, бял, червен, UV и т.н.
• Излъчената дължина на вълната на електромагнитния спектър и следователно цветът се определят от полупроводниковите материали, които образуват PN прехода на диода. Следователно, полупроводниковите съединения могат да се променят или да се играе с тях, за да се създадат нови цветове в рамките на спектъра или видимия диапазон.

Трябва да се каже, че цветовете червено, синьо и зелено (RGB или червено зелено синьо) могат лесно да се комбинират, за да могат произвеждат бяла светлина. От друга страна, трябва да се каже, че работното напрежение на светодиодите също варира в зависимост от цвета. Например цветовете червено, зелено, кехлибарено и жълто се нуждаят от около 1.8 волта, за да работят. И това е, че диапазонът на работното напрежение на светодиода може да бъде определен според напрежението на пробив на полупроводниковия материал, използван за производството на светодиода.

LED видове

Светодиодите могат да бъдат класифицирани по няколко начина, един от основните е според дължината на вълната, която излъчват, оставяйки две категории:

•  видими светодиоди: са тези, които излъчват дължини на вълните във видимия спектър, тоест между 400nm и 750nm. Този диапазон е това, което човешкото око може да види, точно както в звуковото поле можем да чуем само между 20 Hz и 20 Khz. Под 20 Hz са инфразвуци, които не можем да чуем, а над 20 Khz са ултразвуци, които също не можем да уловим. Нещо подобно се случва в случай на светлина, която има инфрачервена или инфрачервена светлина, когато падне под 400 nm, и ултравиолетова светлина, когато надхвърли 750 nm. И двете невидими за човешкото око.
•  невидими светодиоди: са онези дължини на вълните, които не можем да видим, какъвто е случаят с IR диод или UV диод.

Видимите светодиоди се използват главно за осветление или сигнализация. Невидимите светодиоди се използват в приложения, включително оптични превключватели, оптични комуникации и анализи и т.н., с помощта на фото сензори.

производителност

Както добре знаете, LED осветлението е много по-ефективни отколкото конвенционалните, така че консумира много по-малко енергия. Това се дължи на естеството на светодиодите. А в следващата таблица можете да видите връзката между светлинния поток и входящата електрическа мощност, подадена към светодиода. Тоест, може да се изрази в лумени на ват (lm/W):

LED конструкция

Източник: ResearchGate

La структурата и конструкцията на светодиодите са много различни от тези на нормалните диоди, като ценер и др. Светлината ще се излъчва от светодиода, когато неговият PN преход е предубеден. PN преходът е покрит от твърда епоксидна смола и прозрачен пластмасов полусферичен купол, който предпазва вътрешността на светодиода от атмосферни смущения, вибрации и термични удари.

PN преходът се формира с помощта на материалите съединения с по-ниска забранена лента като галиев арсенид, галиев арсенид фосфид, галиев фосфид, индиев галиев нитрид, галиев алуминиев нитрид, силициев карбид и др. Например червените светодиоди са изградени върху субстрат от галиев арсенид, зелените, жълтите и оранжевите върху галиев фосфид и т.н. В червените, N-тип слоят е легиран с телур (Te), а P слоят е легиран с цинк (Zn). От друга страна, контактните слоеве се образуват с помощта на алуминий от страната P и калай-алуминий от страната N.

Освен това трябва да знаете, че тези кръстовища не излъчват много светлина, така че купол от епоксидна смола той е конструиран по такъв начин, че фотоните на светлината, излъчвана от PN прехода, се отразяват и фокусират най-добре през него. Тоест действа не само като протектор, но и като светлоконцентрираща леща. Това е причината излъчваната светлина да изглежда по-ярка в горната част на светодиода.

Светодиодите са проектирани да гарантират, че по-голямата част от рекомбинацията на носители на заряд се извършва на повърхността на PN прехода по очевидни причини и това се постига по следния начин:

• Чрез увеличаване на концентрацията на допинг на субстрата, допълнителните малцинствени електрони на носителя на заряд се придвижват към горната част на структурата, рекомбинират се и излъчват светлина върху повърхността на LED.
• Чрез увеличаване на дължината на дифузия на носителите на заряд, т.е. L = √ Dτ, където D е коефициентът на дифузия, а τ е продължителността на живота на носителя на заряд. Когато се увеличи над критичната стойност, ще има възможност за реабсорбция на освободените фотони в устройството.

По този начин, когато LED диодът е свързан с предно отклонение, товарни превозвачи те придобиват достатъчно енергия, за да преодолеят съществуващата потенциална бариера на PN прехода. Малцинствените носители на заряд както в P-типа, така и в N-типа на полупроводника се инжектират през кръстовището и се рекомбинират с основните носители. Комбинацията от мнозинство и миноритарни носители може да бъде по два начина:

• радиационен: когато се излъчва светлина по време на рекомбинация.
• не е радиационен: по време на рекомбинация не се излъчва светлина, произвежда се топлина. Тоест част от приложената електрическа енергия се губи под формата на топлина, а не светлина. В зависимост от процента енергия, използвана за генериране на светлина или топлина, това ще бъде ефективността на светодиода.

органични полупроводници

Наскоро те също пробиха на пазара OLED или органични диоди, излъчващи светлина, които са били използвани за дисплеи. Тези нови органични диоди са съставени от материал от органична природа, тоест органичен полупроводник, където проводимостта е разрешена частично или в цялата органична молекула.

Тези органични материали може да са в кристална фаза или в полимерни молекули. Това има предимството, че имат много тънка структура, ниска цена, те се нуждаят от много ниско напрежение, за да работят, имат висока яркост и максимален контраст и интензитет.

LED цветове

За разлика от нормалните полупроводникови диоди, светодиодите излъчват тази светлина поради съединенията, които използват, както споменах по-рано. Нормалните полупроводникови диоди са направени от силиций или германий, но диодите, излъчващи светлина, имат съединения като:

• галиев арсенид
• галиев арсенид фосфид
• Силициев карбид
• индиево-галиев нитрид

Смесването на тези материали може да произведе уникална и различна дължина на вълната, за да се постигне желания цвят. Различните полупроводникови съединения излъчват светлина в определени области на спектъра на видимата светлина и следователно произвеждат различни нива на интензитет на светлината. Изборът на полупроводников материал, използван при производството на светодиода, ще определи дължината на вълната на фотонните емисии и получения цвят на излъчената светлина.

Модел на излъчване

Диаграмата на излъчване се определя като ъгъл на излъчване на светлина по отношение на излъчващата повърхност. Максималното количество мощност, интензитет или енергия ще се получи в посока, перпендикулярна на излъчващата повърхност. Ъгълът на излъчване на светлина зависи от излъчвания цвят и обикновено варира между около 80° и 110°. Ето таблица с различни цветове и материали:

Цветът на светлината, излъчвана от светодиода, не се определя от пластмасов цвят на тялото който обхваща светодиода. Това трябва да стане много ясно. Както споменах по-рано, епоксидната смола се използва както за подобряване на светлинния поток, така и за обозначаване на цвят, когато светодиодът е изключен.

LED многоцветен

На пазара има голямо разнообразие от налични светодиоди, с различни форми, размери, цветове, интензитет на изходната светлина и др. Все пак трябва да се каже, че безспорният крал за цената си е червеният светодиод от галиев арсенид фосфид с диаметър 5 mm. Това е най-използваният в света, така че е този, който се произвежда в най-голямо количество.

Въпреки това, както видяхте, в момента има много различни цветове и няколко цвята дори се комбинират, за да се получи a LED многоцветен като тази, която ще видим в този раздел...

Bicolor

Двуцветният светодиод, както подсказва името му, е a LED с възможност за излъчване в два различни цвята. Това се постига чрез комбиниране на два различни цветни светодиода в един и същ пакет. По този начин можете да промените един цвят в друг. Например, като тези светодиоди, които виждате на някои устройства, за да покажат състоянието на заряда на батерията, които стават червени, когато се зарежда, и зелени, когато вече е заредена.

За да се изградят тези светодиоди са свързани паралелно, като анода на един светодиод е свързан към катода на друг светодиод и обратно. По този начин, когато се подава захранване към някой от анодите, ще свети само един светодиод, този, който получава захранване през своя анод. Ако и двата анода се захранват едновременно, е възможно и двата да се включат едновременно с динамично превключване.

трикольор

Имаме и трицветни светодиоди, т.е може да излъчва три различни цвята вместо две. Те комбинират три светодиода с общ катод в една и съща опаковка и за да осветите един или два цвята, трябва да свържете катода към земята. И тока, подаван от анода на цвета, който искате да контролирате или включите.

Тоест за едноцветно или двуцветно LED осветление е необходимо свързване на захранване към двата анода индивидуално или по едно и също време. Тези трицветни светодиоди също често се използват в множество устройства, като например мобилни телефони, за указване на известия и др. Също така, този тип диод генерира допълнителни нюанси на основните цветове чрез включване на двата светодиода при различни съотношения на тока напред.

LED RGB

Това е основно вид трицветен светодиод, в този случай известен като RGB (червено зелено синьо), защото излъчва тези три цвята светлини. Те станаха много популярни в цветните декоративни ленти и оборудването за игри, както може би знаете. Въпреки това, въпреки че имате основните цветове, не е възможно да генерирате всички цветове и нюанси. Някои цветове попадат извън RGB триъгълника и цветове като розово, кафяво и т.н. са трудни за намиране с RGB.

LED предимства и недостатъци

Сега е време да видим кои са основните предимства и недостатъци от тези LED диоди:

Предимство

• Малък размер
• Ниска производствена цена
• Дълъг срок на годност (няма да се разтопи)*
• Висока енергийна ефективност / ниска консумация
• Ниска температура / по-малко излъчвана топлина
• Гъвкавост на дизайна
• Те могат да произвеждат много различни цветове и дори бяла светлина.
• Висока скорост на превключване
• висок интензитет на светлината
• Може да бъде проектиран да фокусира светлината в една посока
• Те са твърдотелни полупроводникови устройства, така че са по-здрави: по-устойчиви на термичен удар и вибрации
• Без наличие на UV лъчи

Недостатъци

• Зависимост на изходната мощност на излъчване от околната температура и дължината на вълната на светодиода.
• Чувствителност към повреда поради прекомерно напрежение и/или прекомерен ток.
• Теоретична обща ефективност се постига само при специални студени или импулсни условия.

приложения

Не на последно място е необходимо да се покаже кои са възможни приложения за които са предназначени тези цветни светодиоди:

• за автомобилни светлини
• Сигнализация: указатели, знаци, светофари
• Показване на визуална информация на таблата за управление
• За дисплеи, при които пикселите са съставени от светодиоди
• Медицински приложения
• Играчки
• Iluminación
• Дистанционни управления (IR светодиоди)
• и т.н.