Farbige LEDs: Wie bekommt man die verschiedenen Farben?

Die Farbige LEDs Sie haben uns in den letzten Jahren begleitet. Jedes Mal erscheinen neue LED-Farbtöne, da es nicht in allen Fällen einfach war. Aus Neugier sollten Sie zum Beispiel wissen, dass Weißlicht-LEDs und Blaulicht-LEDs zu den letzten gehörten, die auf den Markt kamen.

Derzeit sind sie geworden eine Art Diode für viele Bereiche unentbehrlich. Daher werden Sie in diesem Artikel lernen alles was du wissen musst Auf diesen grundlegende elektronische Komponenten, und darüber, warum sie Licht aussenden, warum diese Farben und vieles mehr ...

Halbleiterlicht emittierende Quellen

Wie Sie wissen sollten, sind die zwei Lichtquellenquellen, die von Halbleiterbauelementen kommen können Laserdioden und LED-Dioden. Während LEDs auf spontaner Emission basieren, basieren Laser auf stimulierter Emission. Das ist der Unterschied zwischen den beiden.

Die Leuchtdioden (Light Emitting Diode) Sie sind die häufigste Lichtquelle bei elektronischen Geräten. Sie werden verwendet, um die Uhrzeit auf Digitaluhren anzuzeigen, den Betrieb oder das Laden der Batterie usw. zu signalisieren. Die Anwendungen sind vielfältig, und mit den neuen LED-Lampen sind sie jetzt auch in die Beleuchtung eingestiegen, um alle Arten von Räumen und sogar für Fahrzeuge zu beleuchten.

Diese LED-Geräte gehören zur Gruppe der Opto-Halbleiter, die elektrischen Strom in Licht umwandeln können. Dieses Beleuchtungsgerät hat den großen Vorteil, dass es langlebig ist, da es nicht wie Glühbirnen durchbrennt, und es ist auch viel effizienter, sodass der Verbrauch viel geringer ist als bei herkömmlichen Glühbirnen. Darüber hinaus sind ihre Herstellungskosten sehr niedrig, weshalb sie so beliebt geworden sind.

Wie jedes andere Halbleiterbauelement hat die LED die grundlegenden Hauptelemente, wie z P-Zonen mit Löchern (+) und N-Zonen mit Elektronen (-), also die üblichen Ladungsträger eines beliebigen Halbleiters. Und das macht:

• Wenn die P-Seite mit einer Stromversorgung und die N-Seite mit Masse verbunden ist, ist die Verbindung in Vorwärtsrichtung vorgespannt, sodass Strom durch die Diode fließen und Licht emittieren kann, das wir alle sehen können.
• Wenn die P-Seite mit Masse verbunden ist und die N-Seite mit der Stromversorgung verbunden ist, wird die Verbindung als in Sperrrichtung vorgespannt bezeichnet, was den Stromfluss verhindert. Sie wissen bereits, dass Dioden den Stromfluss in eine Richtung verhindern.
• Wenn er in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, kombinieren sich die Majoritäts- und Minoritätsladungsträger der P-Seite und der N-Seite miteinander und neutralisieren Ladungsträger in der Verarmungsschicht des PN-Übergangs. Und diese Wanderung von Elektronen und Löchern wiederum setzt eine gewisse Menge an Photonen frei, das heißt, ein Teil der Energie wird in Form von Licht mit konstanter (monochromatischer) Wellenlänge emittiert. Dies wird die Farbe der LED charakterisieren, da sie je nach Wellenlänge IR, blau, gelb, grün, gelb, bernsteinfarben, weiß, rot, UV usw. sein kann.
• Die emittierte Wellenlänge des elektromagnetischen Spektrums und damit die Farbe wird durch die Halbleitermaterialien bestimmt, die den PN-Übergang der Diode bilden. Daher können Halbleiterverbindungen variiert oder mit ihnen gespielt werden, um neue Farben innerhalb des Spektrums oder des sichtbaren Bereichs zu erzeugen.

Dazu muss gesagt werden, dass die Farben Rot, Blau und Grün (RGB bzw. Red Green Blue) problemlos kombiniert werden können weißes Licht erzeugen. Andererseits muss gesagt werden, dass die Arbeitsspannung der LEDs auch je nach Farbe variiert. Beispielsweise benötigen die Farben Rot, Grün, Bernstein und Gelb etwa 1.8 Volt, um zu funktionieren. Und es ist so, dass der Arbeitsspannungsbereich der lichtemittierenden Diode gemäß der Durchbruchspannung des für die Herstellung der LED verwendeten Halbleitermaterials bestimmt werden kann.

LED-Typen

LEDs können auf verschiedene Arten klassifiziert werden, eine der wichtigsten besteht darin, dies nach der von ihnen emittierten Wellenlänge zu tun zwei Kategorien:

•  sichtbare LEDs: sind diejenigen, die Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums emittieren, dh zwischen 400 nm und 750 nm. Dieser Bereich ist das, was das menschliche Auge sehen kann, genauso wie wir im Schallfeld nur zwischen 20 Hz und 20 kHz hören können. Unter 20 Hz ist Infraschall, den wir nicht hören können, und über 20 kHz ist Ultraschall, den wir auch nicht erfassen können. Etwas Ähnliches passiert im Fall von Licht, das Infrarot- oder IR-Licht hat, wenn es unter 400 nm geht, und ultraviolettes Licht, wenn es über 750 nm geht. Beide sind für das menschliche Auge unsichtbar.
•  unsichtbare LEDs: sind jene Wellenlängen, die wir nicht sehen können, wie es bei einer IR-Diode oder einer UV-Diode der Fall ist.

Sichtbare LEDs werden hauptsächlich zur Beleuchtung oder Signalisierung verwendet. Unsichtbare LEDs werden unter Verwendung von Fotosensoren in Anwendungen verwendet, die optische Schalter, optische Kommunikation und Analyse usw. umfassen.

Leistungsfähigkeit

Wie Sie wissen, ist LED-Beleuchtung viel effizienter als herkömmlich, verbraucht also viel weniger Energie. Dies liegt an der Beschaffenheit von LEDs. Und in der folgenden Tabelle sehen Sie den Zusammenhang zwischen dem Lichtstrom und der der LED zugeführten elektrischen Eingangsleistung. Das heißt, es kann in Lumen pro Watt (lm/W) ausgedrückt werden:

LED-Konstruktion

Quelle: ResearchGate

La Aufbau und Aufbau von Leuchtdioden unterscheiden sich stark von denen einer normalen Diode, wie ein Zener usw. Licht wird von der LED emittiert, wenn ihr PN-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Der PN-Übergang ist von einer halbkugelförmigen Kuppel aus massivem Epoxidharz und transparentem Kunststoff bedeckt, die das Innere der LED vor atmosphärischen Störungen, Vibrationen und Temperaturschocks schützt.

Der PN-Übergang wird unter Verwendung von gebildet die Materialien Verbindungen mit niedrigerer Bandlücke wie Galliumarsenid, Galliumarsenidphosphid, Galliumphosphid, Indiumgalliumnitrid, Galliumaluminiumnitrid, Siliziumkarbid usw. Beispielsweise werden rote LEDs auf Galliumarsenid-Substrat aufgebaut, grüne, gelbe und orange auf Galliumphosphid usw. In den Rottönen ist die N-Schicht mit Tellur (Te) und die P-Schicht mit Zink (Zn) dotiert. Andererseits werden die Kontaktschichten unter Verwendung von Aluminium auf der P-Seite und Zinn-Aluminium auf der N-Seite gebildet.

Außerdem sollte man wissen, dass diese Verbindungsstellen nicht viel Licht abgeben, also die Kuppel aus Epoxidharz es ist so konstruiert, dass die vom PN-Übergang emittierten Lichtphotonen am besten reflektiert und durch ihn fokussiert werden. Das heißt, es wirkt nicht nur als Schutz, sondern auch als lichtbündelnde Linse. Aus diesem Grund scheint das emittierte Licht an der Oberseite der LED heller zu sein.

Die LEDs sollen dafür sorgen, dass die Der größte Teil der Rekombination von Ladungsträgern findet an der Oberfläche des PN-Übergangs statt aus offensichtlichen Gründen, und das wird auf diese Weise erreicht:

• Durch Erhöhen der Dotierungskonzentration des Substrats bewegen sich zusätzliche Minoritätsladungsträgerelektronen zur Oberseite der Struktur, rekombinieren und emittieren Licht auf der LED-Oberfläche.
• Durch Erhöhung der Diffusionslänge der Ladungsträger, also L = √ Dτ, wobei D der Diffusionskoeffizient und τ die Lebensdauer der Ladungsträger ist. Wenn er über den kritischen Wert hinaus erhöht wird, besteht die Möglichkeit der Reabsorption der freigesetzten Photonen im Gerät.

Wenn also die LED-Diode mit Vorwärtsspannung verbunden ist, Frachtführer Sie gewinnen genug Energie, um die vorhandene Potentialbarriere am PN-Übergang zu überwinden. Minoritätsladungsträger sowohl im Halbleiter vom P-Typ als auch vom N-Typ werden über den Übergang injiziert und rekombinieren mit den Majoritätsträgern. Die Kombination von Majoritäts- und Minoritätsträgern kann auf zwei Arten erfolgen:

• strahlend: wenn Licht während der Rekombination emittiert wird.
• nicht strahlend: bei der Rekombination wird kein Licht emittiert, es entsteht Wärme. Das heißt, ein Teil der zugeführten elektrischen Energie geht in Form von Wärme und nicht von Licht verloren. Abhängig von dem Prozentsatz der Energie, die zur Erzeugung von Licht oder Wärme verwendet wird, ist dies die Effizienz der LED.

organische Halbleiter

Vor kurzem sind sie auch in den Markt eingebrochen OLED oder organische Leuchtdioden, die für Displays verwendet wurden. Diese neuen organischen Dioden bestehen aus einem Material organischer Natur, d. h. einem organischen Halbleiter, bei dem die Leitung teilweise oder im gesamten organischen Molekül zugelassen ist.

Diese organischen Materialien können enthalten sein kristalline Phase oder in polymeren Molekülen. Dies hat den Vorteil, dass sie eine sehr dünne Struktur haben, kostengünstig sind, zum Betrieb eine sehr niedrige Spannung benötigen, eine hohe Helligkeit sowie maximalen Kontrast und maximale Intensität aufweisen.

LED-Farben

Im Gegensatz zu normalen Halbleiterdioden emittieren LEDs dieses Licht aufgrund der von ihnen verwendeten Verbindungen, wie ich bereits erwähnt habe. Normale Halbleiterdioden bestehen aus Silizium oder Germanium, Leuchtdioden jedoch schon Verbindungen wie zum Beispiel:

• Galliumarsenid
• Galliumarsenidphosphid
• Siliziumcarbid
• Indium-Gallium-Nitrid

Das Mischen dieser Materialien kann eine einzigartige und unterschiedliche Wellenlänge erzeugen, um die gewünschte Farbe zu erzielen. Unterschiedliche Halbleiterverbindungen emittieren Licht in definierten Bereichen des sichtbaren Lichtspektrums und erzeugen daher unterschiedliche Lichtintensitäten. Die Wahl des bei der Herstellung der LED verwendeten Halbleitermaterials bestimmt die Wellenlänge der Photonenemissionen und die resultierende Farbe des emittierten Lichts.

Strahlungsmuster

Das Strahlungsmuster ist definiert als der Winkel der Lichtemission in Bezug auf die emittierende Oberfläche. Die maximale Menge an Leistung, Intensität oder Energie wird in der Richtung senkrecht zur emittierenden Oberfläche erhalten. Der Lichtabstrahlwinkel hängt von der abgestrahlten Farbe ab und variiert üblicherweise zwischen etwa 80° und 110°. Hier ist eine Tabelle mit verschiedene Farben und Materialien:

Die Farbe des von einer LED emittierten Lichts wird nicht durch die bestimmt Gehäusefarbe Kunststoff der die LED umschließt. Dies muss sehr deutlich gemacht werden. Wie ich bereits erwähnt habe, wird Epoxidharz sowohl zur Verbesserung der Lichtleistung als auch zur Farbanzeige bei ausgeschalteter LED verwendet.

LED mehrfarbig

Auf dem Markt gibt es eine Große Auswahl an LEDs verfügbar, mit unterschiedlichen Formen, Größen, Farben, Ausgangslichtintensitäten usw. Unangefochtener Preis-König ist jedoch die Gallium-Arsenid-Phosphid-Rot-LED mit 5 mm Durchmesser. Das ist das weltweit am häufigsten verwendete, also dasjenige, das in der größten Menge hergestellt wird.

Wie Sie gesehen haben, gibt es derzeit jedoch viele verschiedene Farben, und es werden sogar mehrere Farben kombiniert, um eine zu erzeugen LED mehrfarbig wie die, die wir in diesem Abschnitt sehen werden …

Bicolor

Eine zweifarbige LED ist, wie der Name schon sagt, eine LED, die in zwei verschiedenen Farben emittieren kann. Dies wird durch die Kombination von zwei unterschiedlich farbigen LEDs im selben Gehäuse erreicht. Auf diese Weise können Sie von einer Farbe zur anderen wechseln. Zum Beispiel diese LEDs, die Sie auf einigen Geräten sehen, um den Ladezustand des Akkus anzuzeigen, die rot werden, wenn der Akku aufgeladen wird, und grün, wenn er bereits aufgeladen ist.

Um diese LEDs zu bauen parallel geschaltet sind, wobei die Anode einer LED mit der Kathode einer anderen LED verbunden ist und umgekehrt. Auf diese Weise leuchtet nur eine LED auf, wenn eine der Anoden mit Strom versorgt wird, nämlich diejenige, die über ihre Anode mit Strom versorgt wird. Wenn beide Anoden gleichzeitig mit Strom versorgt werden, ist es auch möglich, beide gleichzeitig mit dynamischem Schalten einzuschalten.

tricolor

Wir haben auch dreifarbige LEDs, das heißt sie kann drei verschiedene Farben emittieren statt zwei. Diese kombinieren drei LEDs mit einer gemeinsamen Kathode im selben Gehäuse, und um eine oder zwei Farben zu leuchten, müssen Sie die Kathode mit Masse verbinden. Und der Strom, der von der Anode der Farbe geliefert wird, die Sie steuern oder einschalten möchten.

Das heißt, für ein- oder zweifarbige LED-Beleuchtung ist es notwendig, die zu verbinden Stromversorgung zu jeder Anode einzeln oder gleichzeitig. Diese dreifarbigen LEDs werden auch häufig in einer Vielzahl von Geräten wie Mobiltelefonen verwendet, um Benachrichtigungen usw. anzuzeigen. Außerdem erzeugt dieser Diodentyp zusätzliche Schattierungen der Primärfarben, indem die beiden LEDs mit unterschiedlichen Durchlassstromverhältnissen eingeschaltet werden.

LED RGB

Es ist im Grunde eine Art dreifarbige LED, in diesem Fall bekannt als RGB (Rot Grün Blau), weil es diese drei Farblichter aussendet. Wie Sie vielleicht wissen, sind diese bei farbigen Zierleisten und Gaming-Ausrüstung sehr beliebt geworden. Obwohl Sie die Primärfarben haben, ist es jedoch nicht möglich, alle Farben und Schattierungen zu erzeugen. Einige Farben liegen außerhalb des RGB-Dreiecks, und Farben wie Rosa, Braun usw. sind mit RGB schwer zu bekommen.

LED-Vorteile und Nachteile

Jetzt ist es Zeit zu sehen, was die wichtigsten sind Vor-und Nachteile dieser LED-Dioden:

Vorteil

• Tamaño pequeño
• Niedrige Produktionskosten
• Lange Haltbarkeit (schmilzt nicht)*
• Hohe Energieeffizienz / niedriger Verbrauch
• Niedrige Temperatur / weniger Strahlungswärme
• Designflexibilität
• Sie können viele verschiedene Farben und sogar weißes Licht erzeugen.
• Hohe Schaltgeschwindigkeit
• hohe Lichtintensität
• Kann entworfen werden, um Licht in eine Richtung zu fokussieren
• Sie sind Festkörper-Halbleiterbauelemente und daher robuster: widerstandsfähiger gegen Temperaturschocks und Vibrationen
• Keine Präsenz von UV-Strahlen

Nachteile

• Umgebungstemperaturabhängigkeit der Strahlungsleistung und der Wellenlänge der LED.
• Empfindlichkeit gegenüber Beschädigung durch Überspannung und/oder Überstrom.
• Der theoretische Gesamtwirkungsgrad wird nur unter speziellen kalten oder gepulsten Bedingungen erreicht.

Anwendungen

Nicht zuletzt gilt es zu zeigen, welche das sind mögliche Anwendungen wofür diese farbigen LEDs bestimmt sind:

• für Fahrzeugbeleuchtung
• Beschilderung: Blinker, Schilder, Ampeln
• Zeigen Sie visuelle Informationen auf Dashboards an
• Für Displays, bei denen die Pixel aus LEDs bestehen
• Medizinische Anwendungen
• Spielzeug
• Beleuchtung
• Fernbedienungen (IR-LEDs)
• Usw.