Fargede lysdioder: hvordan får du de forskjellige fargene?

den Fargede lysdioder De har fulgt oss de siste årene. Hver gang dukker det opp nye nyanser av LED, siden det ikke har vært lett i alle tilfeller. For eksempel, som en kuriositet, bør du vite at hvitt lys LED og blå lys LED har vært blant de siste som har kommet på markedet.

Foreløpig har de blitt en type diode avgjørende for mange felt. Derfor vil du lære i denne artikkelen alt du trenger å vite På disse grunnleggende elektroniske komponenter, og om hvorfor de sender ut lys, hvorfor de fargene, og mye mer...

Halvleder lysemitterende kilder

Som du burde vite, er de to kildene til lysutslipp som kan komme fra halvlederenheter Laserdioder og LED-dioder. Mens LED er basert på spontan emisjon, er lasere basert på stimulert emisjon. Det er forskjellen mellom de to.

den lysdioder (lysemitterende diode) de er den vanligste lyskilden blant elektronisk utstyr. De brukes til å vise klokkeslettet på digitale klokker, for å signalisere drift eller lading av batteriet osv. Bruksområdene er mange, og nå har de også hoppet i belysning med de nye LED-pærene for å lyse opp alle typer rom og til og med for kjøretøy.

Disse LED-enhetene tilhører gruppen av opto-halvledere, i stand til å konvertere en elektrisk strøm til lys. Denne belysningsanordningen har den store fordelen av å være holdbar, siden den ikke brenner ut som lyspærer, og den er også mye mer effektiv, så forbruket er mye lavere enn konvensjonelle lyspærer. I tillegg er produksjonskostnadene deres svært lave, og det er derfor de har blitt så populære.

Som enhver annen halvlederenhet har LED-en de grunnleggende hovedelementene, for eksempel P soner med hull (+) og N soner med elektroner (-), det vil si de vanlige ladningsbærerne til enhver halvleder. Og dette gjør:

• Når P-siden er koblet til en strømforsyning og N-siden til jord, er forbindelsen forspent, slik at strøm kan flyte gjennom dioden og sende ut lys som vi alle kan se.
• Hvis P-siden er koblet til jord og N-siden er koblet til strømforsyningen, sies tilkoblingen å være omvendt forspent, noe som hindrer strømflyt. Du vet allerede at dioder hindrer strømmen i én retning.
• Når foroverforspent, kombineres P-siden og N-sidens majoritets- og minoritetsladningsbærere med hverandre, og nøytraliserer ladningsbærere i uttømmingslaget til PN-krysset. Og på sin side frigjør denne migrasjonen av elektroner og hull en viss mengde fotoner, det vil si at en del av energien sendes ut i form av lys, med en konstant (monokromatisk) bølgelengde. Dette er det som vil karakterisere fargen på LED, siden avhengig av bølgelengden den sender ut kan den være IR, blå, gul, grønn, gul, rav, hvit, rød, UV, etc.
• Den utsendte bølgelengden til det elektromagnetiske spekteret, og derfor fargen, bestemmes av halvledermaterialene som danner PN-krysset til dioden. Derfor kan halvlederforbindelser varieres eller lekes med for å skape nye farger innenfor spekteret eller det synlige området.

Det skal sies at fargene rød, blå og grønn (RGB eller Rød Grønn Blå) enkelt kan kombineres for å kunne produsere hvitt lys. På den annen side må det sies at arbeidsspenningen til lysdiodene også varierer avhengig av fargen. For eksempel trenger fargene rød, grønn, ravgul og gul omtrent 1.8 volt for å fungere. Og det er at arbeidsspenningsområdet til lysdioden kan bestemmes i henhold til nedbrytningsspenningen til halvledermaterialet som brukes til fremstilling av LED.

LED-typer

LED kan klassifiseres på flere måter, en av de viktigste er å gjøre det i henhold til bølgelengden de sender ut, og etterlater to kategorier:

•  synlige lysdioder: er de som sender ut bølgelengder innenfor det synlige spekteret, det vil si mellom 400nm og 750nm. Dette området er det det menneskelige øyet kan se, akkurat som i lydfeltet kan vi bare høre mellom 20 Hz og 20 Khz. Under 20 Hz er infralyd som vi ikke kan høre, og over 20 Khz er ultralyd som vi heller ikke kan fange. Noe lignende skjer i tilfellet med lys, med infrarødt eller IR når det går under 400 nm og ultrafiolett lys når det går over 750 nm. Begge usynlige for det menneskelige øyet.
•  usynlige lysdioder: er de bølgelengdene vi ikke kan se, slik tilfellet er med en IR-diode eller en UV-diode.

Synlige lysdioder brukes hovedsakelig til belysning eller signalering. Usynlige lysdioder brukes i applikasjoner inkludert optiske brytere, optisk kommunikasjon og analyse, etc., med bruk av fotosensorer.

effektivitet

Som du godt vet, er LED-belysning mye mer effektiv enn vanlig, så det bruker mye mindre energi. Dette er på grunn av naturen til LED. Og i den følgende tabellen kan du se forholdet mellom lysstrømmen og den elektriske inngangseffekten som leveres til LED-en. Det vil si at det kan uttrykkes i lumen per watt (lm/W):

LED-konstruksjon

Kilde: ResearchGate

La struktur og konstruksjon av lysemitterende dioder er svært forskjellige fra en vanlig diode, for eksempel en zener, etc. Lys vil sendes ut fra LED-en når PN-krysset er forovervendt. PN-krysset er dekket av en solid epoksyharpiks og halvkuleformet kuppel av gjennomsiktig plast som beskytter det indre av LED-en mot atmosfæriske forstyrrelser, vibrasjoner og termiske støt.

PN-krysset dannes ved hjelp av materialene lavere båndgap-forbindelser som galliumarsenid, galliumarsenidfosfid, galliumfosfid, indiumgalliumnitrid, galliumaluminiumnitrid, silisiumkarbid, etc. For eksempel er røde lysdioder bygget på galliumarsenidsubstrat, grønne, gule og oransje på galliumfosfid, etc. I de røde er N-type-laget dopet med tellur (Te) og P-laget er dopet med sink (Zn). På den annen side er kontaktlagene dannet ved bruk av aluminium på P-siden og tinn-aluminium på N-siden.

Du bør også vite at disse veikryssene ikke avgir mye lys, så den epoksyharpiks kuppel den er konstruert på en slik måte at fotoner av lys som sendes ut av PN-krysset best reflekteres og fokuseres gjennom den. Det vil si at den ikke bare fungerer som en beskytter, men også som en lyskonsentrerende linse. Det er grunnen til at det utsendte lyset ser ut til å være lysere på toppen av LED-en.

LED-ene er utformet for å sikre at det meste av rekombinasjonen av ladningsbærere finner sted ved overflaten av PN-krysset av åpenbare grunner, og det oppnås på denne måten:

• Ved å øke dopingkonsentrasjonen til substratet, beveger ytterligere minoritetsladningsbærerelektroner seg til toppen av strukturen, rekombinerer og sender ut lys på LED-overflaten.
• Ved å øke diffusjonslengden til ladningsbærerne, det vil si L = √ Dτ, hvor D er diffusjonskoeffisienten og τ er levetiden til ladningsbæreren. Når den økes utover den kritiske verdien, vil det være mulighet for reabsorpsjon av de frigjorte fotonene i enheten.

Således, når LED-dioden er koblet med foroverforspenning, lastebærere de skaffer seg nok energi til å overvinne den eksisterende potensielle barrieren ved PN-krysset. Minoritetsladningsbærere i både P-type og N-type halvledere injiseres over krysset og rekombineres med majoritetsbærerne. Kombinasjonen av majoritets- og minoritetsbærere kan være på to måter:

• stråling: når lys sendes ut under rekombinasjon.
• ikke strålende: under rekombinasjon avgis det ikke lys, varme produseres. Det vil si at en del av den tilførte elektriske energien går tapt i form av varme og ikke lys. Avhengig av prosentandelen av energien som brukes til å generere lys eller varme, vil dette være effektiviteten til LED.

organiske halvledere

Nylig har de også brutt seg inn på markedet OLED eller organiske lysdioder, som har blitt brukt til skjermer. Disse nye organiske diodene er sammensatt av et materiale av organisk natur, det vil si en organisk halvleder, hvor ledning er tillatt delvis eller i hele det organiske molekylet.

Disse organiske materialene kan være i krystallinsk fase eller i polymere molekyler. Dette har fordelen av å ha en veldig tynn struktur, lav pris, de trenger svært lav spenning for å fungere, de har høy lysstyrke og maksimal kontrast og intensitet.

LED-farger

I motsetning til vanlige halvlederdioder, sender LED ut det lyset på grunn av forbindelsene de bruker, som jeg nevnte tidligere. Vanlige halvlederdioder er laget av silisium eller germanium, men lysemitterende dioder har forbindelser som for eksempel:

• galliumarsenid
• galliumarsenidfosfid
• Silisiumkarbid
• indium galliumnitrid

Blanding av disse materialene kan produsere en unik og annerledes bølgelengde, for å oppnå ønsket farge. Ulike halvlederforbindelser sender ut lys i definerte områder av det synlige lysspekteret og produserer derfor forskjellige nivåer av lysintensitet. Valget av halvledermateriale som brukes i produksjonen av LED vil bestemme bølgelengden til fotonutslippene og den resulterende fargen på det utsendte lyset.

Strålingsmønster

Strålingsmønsteret er definert som vinkelen for lysemisjon i forhold til den emitterende overflaten. Den maksimale mengden kraft, intensitet eller energi vil bli oppnådd i retningen vinkelrett på emitterende overflate. Lysemisjonsvinkelen avhenger av fargen som sendes ut og varierer vanligvis mellom ca. 80° og 110°. Her er en tabell med forskjellige farger og materialer:

Fargen på lyset som sendes ut av en LED bestemmes ikke av plastikk kroppsfarge som omslutter LED-en. Dette må gjøres veldig tydelig. Som jeg nevnte tidligere, brukes epoksyharpiks både for å forbedre lyseffekten og for å indikere farge når LED-en er av.

Flerfarget LED

På markedet er det en bredt utvalg av LED tilgjengelig, med forskjellige former, størrelser, farger, utgangslysintensiteter, etc. Imidlertid må det sies at den ubestridte kongen for sin pris er galliumarsenid fosfid rød LED, med en diameter på 5 mm. Det er den mest brukte i verden, så det er den som produseres i størst kvantum.

Men som du har sett, er det for tiden mange forskjellige farger, og flere farger blir til og med kombinert for å produsere en Flerfarget LED som den vi skal se i denne delen...

tofarget

En tofarget LED, som navnet antyder, er en LED i stand til å sende ut i to forskjellige farger. Dette oppnås ved å kombinere to forskjellige fargede lysdioder i samme pakke. På denne måten kan du endre fra en farge til en annen. For eksempel, som de lysdiodene du ser på enkelte enheter for å indikere tilstanden til batteriladingen, som blir røde når den lades og grønne når den allerede er ladet.

For å bygge disse lysdiodene kobles parallelt, med anoden til en LED koblet til katoden til en annen LED og omvendt. På denne måten, når strøm tilføres til noen av anodene, vil bare én LED lyse opp, den som mottar strøm gjennom sin anode. Hvis begge anodene får strøm samtidig, er det også mulig å slå på begge samtidig med dynamisk svitsjing.

tricolor

Vi har også trefargede lysdioder, det vil si de kan avgi tre forskjellige farger i stedet for to. Disse kombinerer tre lysdioder med en felles katode i samme pakke, og for å tenne en eller to farger må du koble katoden til jord. Og strømmen som leveres av anoden til fargen du vil kontrollere eller slå på.

Det vil si at for en eller to-farget LED-belysning er det nødvendig å koble til strømforsyning til begge anodene individuelt eller samtidig. Disse trefargede LED-ene brukes også ofte i en rekke enheter, for eksempel mobiltelefoner, for å indikere varsler osv. Denne typen diode genererer også flere nyanser av primærfargene ved å slå på de to lysdiodene ved forskjellige forhold mellom likestrøm.

RGB LED

Det er i utgangspunktet en type trefarget LED, i dette tilfellet kjent som RGB (rød grønn blå), fordi den sender ut de tre fargelysene. Disse har blitt veldig populære i fargede pyntelister og spillutstyr, som du kanskje vet. Men selv om du har primærfargene, er det ikke mulig å generere alle fargene og nyansene. Noen farger faller utenfor RGB-trekanten, og farger som rosa, brun osv. er vanskelig å få tak i med RGB.

LED fordeler og ulemper

Nå er det på tide å se hva som er de viktigste fordeler og ulemper av disse LED-diodene:

Advantage

• Liten størrelse
• Lav produksjonskostnad
• Lang holdbarhet (vil ikke smelte)*
• Høy energieffektivitet / lavt forbruk
• Lav temperatur / mindre utstrålt varme
• Designfleksibilitet
• De kan produsere mange forskjellige farger, og til og med hvitt lys.
• Høy byttehastighet
• høy lysintensitet
• Kan designes for å fokusere lys i én retning
• De er solid-state halvlederenheter, så de er mer robuste: mer motstandsdyktige mot termisk sjokk og vibrasjoner
• Ingen tilstedeværelse av UV-stråler

Ulemper

• Omgivelsestemperaturavhengighet av strålingseffekten og bølgelengden til LED.
• Følsomhet for skade på grunn av overspenning og/eller overstrøm.
• Teoretisk total effektivitet oppnås kun under spesielle kalde eller pulserende forhold.

søknader

Sist men ikke minst er det nødvendig å vise hva som er mulige anvendelser som disse fargede lysdiodene er beregnet for:

• for kjøretøylys
• Skilting: indikatorer, skilt, trafikklys
• Vis visuell informasjon på dashbord
• For skjermer der pikslene består av lysdioder
• Medisinske applikasjoner
• leker
• Belysning
• Fjernkontroller (IR LED)
• etc.