Цветные светодиоды: как получить разные цвета?

Цветные светодиоды Они сопровождают нас в последние годы. Каждый раз появляются новые оттенки светодиодов, так как не во всех случаях это было просто. Например, любопытно, что светодиоды белого и синего света появились на рынке одними из последних.

В настоящее время они стали тип диода необходимы для многих сфер. Поэтому в этой статье вы узнаете все, что вам нужно знать На этих основные электронные компоненты, и о том, почему они излучают свет, почему такие цвета и многое другое...

Полупроводниковые источники света

Как вы должны знать, есть два источника излучения света, которые могут исходить от полупроводниковых устройств. Лазерные диоды и светодиоды. В то время как светодиоды основаны на спонтанном излучении, лазеры основаны на вынужденном излучении. В этом разница между ними.

светоизлучающие диоды (Light Emitting Diode) они являются наиболее распространенным источником света среди электронного оборудования. Они используются для отображения времени на цифровых часах, для сигнализации о работе или заряде аккумулятора и т. д. Применений много, и теперь они также перешли к освещению с новыми светодиодными лампами для освещения всех типов помещений и даже для транспортных средств.

Эти светодиодные устройства относятся к группе опто-полупроводники, способный преобразовывать электрический ток в свет. Этот осветительный прибор имеет большое преимущество в том, что он долговечен, так как он не перегорает, как лампочки, а также гораздо более эффективен, поэтому потребление намного ниже, чем у обычных лампочек. Кроме того, их стоимость изготовления очень низкая, поэтому они стали настолько популярными.

Как и любой другой полупроводниковый прибор, светодиод имеет основные основные элементы, такие как P-зоны с дырками (+) и N-зоны с электронами (-), то есть обычные носители заряда любого полупроводника. И это делает:

• Когда сторона P подключена к источнику питания, а сторона N к земле, соединение смещено в прямом направлении, что позволяет току течь через диод и излучать свет, который мы все можем видеть.
• Если сторона P подключена к земле, а сторона N подключена к источнику питания, говорят, что соединение смещено в обратном направлении, что предотвращает протекание тока. Вы уже знаете, что диоды препятствуют прохождению тока в одном направлении.
• При прямом смещении основные и неосновные носители заряда на стороне P и стороне N объединяются друг с другом, нейтрализуя носители заряда в обедненном слое PN-перехода. И, в свою очередь, эта миграция электронов и дырок высвобождает определенное количество фотонов, то есть часть энергии излучается в виде света, с постоянной (монохроматической) длиной волны. Именно это и будет характеризовать цвет светодиода, так как в зависимости от излучаемой им длины волны он может быть ИК, синим, желтым, зеленым, желтым, янтарным, белым, красным, УФ и т.д.
• Излучаемая длина волны электромагнитного спектра и, следовательно, цвет определяются полупроводниковыми материалами, образующими PN-переход диода. Следовательно, полупроводниковые соединения можно варьировать или играть с ними для создания новых цветов в спектре или видимом диапазоне.

Надо сказать, что красный, синий и зеленый цвета (RGB или красный, зеленый, синий) можно легко комбинировать, чтобы можно было производить белый свет. С другой стороны, нужно сказать, что рабочее напряжение светодиодов также различается в зависимости от цвета. Например, для работы красного, зеленого, янтарного и желтого цветов требуется около 1.8 вольта. И заключается она в том, что диапазон рабочего напряжения светодиода можно определить по напряжению пробоя полупроводникового материала, используемого для изготовления светодиода.

Типы светодиодов

Светодиоды можно классифицировать несколькими способами, один из основных — делать это в соответствии с длиной волны, которую они излучают, оставляя две категории:

•  видимые светодиоды: те, которые излучают длины волн в пределах видимого спектра, то есть между 400 нм и 750 нм. Этот диапазон — то, что может видеть человеческий глаз, точно так же, как в звуковом поле мы можем слышать только между 20 Гц и 20 кГц. Ниже 20 Гц — это инфразвук, который мы не слышим, а выше 20 кГц — это ультразвук, который мы также не можем уловить. Нечто подобное происходит и со светом, имеющим инфракрасное или инфракрасное излучение, когда длина волны ниже 400 нм, и ультрафиолетовое излучение, когда длина волны превышает 750 нм. Оба невидимы для человеческого глаза.
•  невидимые светодиоды: это те длины волн, которые мы не можем видеть, как в случае с ИК-диодом или УФ-диодом.

Видимые светодиоды в основном используются для освещения или сигнализации. Невидимые светодиоды используются в приложениях, включая оптические переключатели, оптическую связь и анализ и т. Д., С использованием фотодатчиков.

коэффициент полезного действия

Как вы хорошо знаете, светодиодное освещение намного более эффективный чем обычный, поэтому он потребляет гораздо меньше энергии. Это связано с особенностями светодиодов. А в следующей таблице вы можете увидеть взаимосвязь между световым потоком и входной электрической мощностью, подаваемой на светодиод. То есть его можно выразить в люменах на ватт (лм/Вт):

Светодиодная конструкция

Источник: ResearchGate

La структура и конструкция светоизлучающих диодов сильно отличаются от обычных диодов., такие как стабилитрон и т. д. Свет будет излучаться светодиодом, когда его PN-переход смещен в прямом направлении. PN-переход покрыт твердой эпоксидной смолой и прозрачным пластиковым полусферическим куполом, который защищает внутреннюю часть светодиода от атмосферных помех, вибраций и тепловых ударов.

PN-переход образован с помощью материалы соединения с более низкой шириной запрещенной зоны, такие как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия, фосфид галлия, нитрид индия-галлия, нитрид алюминия-галлия, карбид кремния и т. д. Например, красные светодиоды построены на подложке из арсенида галлия, зеленые, желтые и оранжевые — на фосфиде галлия и т. д. В красном цвете слой N-типа легирован теллуром (Te), а слой P легирован цинком (Zn). С другой стороны, контактные слои формируются с использованием алюминия на стороне P и оловянно-алюминиевого сплава на стороне N.

Кроме того, вы должны знать, что эти соединения не излучают много света, поэтому купол из эпоксидной смолы он сконструирован таким образом, что фотоны света, испускаемые PN-переходом, лучше всего отражаются и фокусируются через него. То есть он выступает не только в роли протектора, но и в роли светоконцентрирующей линзы. Именно по этой причине излучаемый свет кажется ярче в верхней части светодиода.

Светодиоды предназначены для того, чтобы большая часть рекомбинации носителей заряда происходит на поверхности PN-перехода по понятным причинам, и это достигается таким образом:

• При увеличении концентрации легирования подложки дополнительные электроны неосновных носителей заряда перемещаются в верхнюю часть структуры, рекомбинируют и излучают свет на поверхности светодиода.
• Увеличивая длину диффузии носителей заряда, т. е. L = √ Dτ, где D — коэффициент диффузии, τ — время жизни носителя заряда. Когда оно превысит критическое значение, появится возможность реабсорбции испущенных фотонов в устройстве.

Таким образом, когда светодиодный диод подключен с прямым смещением, грузовые перевозчики они приобретают достаточно энергии для преодоления существующего потенциального барьера на PN-переходе. Неосновные носители заряда как в полупроводнике P-типа, так и в полупроводнике N-типа инжектируются через переход и рекомбинируют с основными носителями. Комбинация мажоритарных и миноритарных носителей может быть двумя способами:

• радиационный: когда свет излучается во время рекомбинации.
• не излучающий: во время рекомбинации свет не излучается, выделяется тепло. То есть часть приложенной электрической энергии теряется в виде тепла, а не света. В зависимости от процента энергии, используемой для генерации света или тепла, это будет КПД светодиода.

органические полупроводники

Недавно они также ворвались на рынок OLED или органические светоизлучающие диоды, которые использовались для дисплеев. Эти новые органические диоды состоят из материала органической природы, т. е. органического полупроводника, в котором допускается проводимость части или всей органической молекулы.

Эти органические материалы могут находиться в кристаллической фазе или в полимерных молекулах. Это имеет то преимущество, что имеет очень тонкую структуру, низкую стоимость, им требуется очень низкое напряжение для работы, они имеют высокую яркость, а также максимальную контрастность и интенсивность.

Цвета светодиодов

В отличие от обычных полупроводниковых диодов, светодиоды излучают этот свет из-за используемых в них соединений, как я упоминал ранее. Обычные полупроводниковые диоды изготавливаются из кремния или германия, а светоизлучающие диоды имеют соединения такие как:

• арсенид галлия
• фосфид арсенида галлия
• карбид кремния
• нитрид индия-галлия

Смешивая эти материалы, можно получить уникальную и различную длину волны для достижения желаемого цвета. Различные полупроводниковые соединения излучают свет в определенных областях спектра видимого света и, следовательно, создают разные уровни интенсивности света. Выбор полупроводникового материала, используемого при производстве светодиода, будет определять длину волны излучения фотонов и результирующий цвет излучаемого света.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности определяется как угол излучения света по отношению к излучающей поверхности. Максимальное количество мощности, интенсивности или энергии будет получено в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности. Угол излучения света зависит от излучаемого цвета и обычно варьируется от 80° до 110°. Вот таблица с разные цвета и материалы:

Цвет света, излучаемого светодиодом, не определяется пластиковый цвет кузова который окружает светодиод. Это должно быть сделано очень ясно. Как я упоминал ранее, эпоксидная смола используется как для улучшения светоотдачи, так и для обозначения цвета, когда светодиод выключен.

LED многоцветный

На рынке есть в наличии большой выбор светодиодов, с различными формами, размерами, цветами, яркостью выходного света и т. д. Однако следует сказать, что бесспорным королем по своей цене является красный светодиод на основе арсенида арсенида галлия диаметром 5 мм. Это наиболее используемый в мире, поэтому он производится в наибольшем количестве.

Однако, как вы видели, в настоящее время существует множество различных цветов, и несколько цветов даже комбинируются для получения LED многоцветный как тот, который мы увидим в этом разделе…

Двухцветная

Двухцветный светодиод, как следует из его названия, представляет собой Светодиод, способный излучать два разных цвета. Это достигается путем объединения двух светодиодов разного цвета в одном корпусе. Таким образом, вы можете изменить один цвет на другой. Например, как те светодиоды, которые вы видите на некоторых устройствах для индикации состояния заряда аккумулятора, которые становятся красными, когда он заряжается, и зеленым, когда он уже заряжен.

Для сборки этих светодиодов соединены параллельно, с анодом одного светодиода, подключенным к катоду другого светодиода, и наоборот. Таким образом, при подаче питания на любой из анодов загорится только один светодиод, тот, который получает питание через свой анод. Если оба анода запитаны одновременно, также возможно включить оба одновременно с помощью динамического переключения.

триколор

Есть у нас и трехцветные светодиоды, т.е. может излучать три разных цвета вместо двух. Они объединяют три светодиода с общим катодом в одном корпусе, и для освещения одним или двумя цветами необходимо подключить катод к земле. И ток, подаваемый анодом того цвета, который вы хотите контролировать или включить.

То есть для одно- или двухцветного светодиодного освещения необходимо подключить питание на любой из анодов по отдельности или одновременно. Эти трехцветные светодиоды также часто используются во множестве устройств, таких как мобильные телефоны, для индикации уведомлений и т. д. Кроме того, этот тип диодов генерирует дополнительные оттенки основных цветов за счет включения двух светодиодов при различных коэффициентах постоянного тока.

Светодиодные RGB

По сути, это тип трехцветного светодиода, в данном случае известный как RGB (красный, зеленый, синий), потому что он излучает эти три цвета света. Как вы, возможно, знаете, они стали очень популярными в цветных декоративных полосах и игровом оборудовании. Однако, даже если у вас есть основные цвета, невозможно создать все цвета и оттенки. Некоторые цвета выходят за пределы треугольника RGB, а такие цвета, как розовый, коричневый и т. д., трудно найти в RGB.

Преимущества и недостатки светодиодов

Теперь пришло время посмотреть, каковы основные из них. Преимущества и недостатки из этих светодиодов:

преимущество

• Маленький размер
• Низкая стоимость производства
• Длительный срок хранения (не плавится)*
• Высокая энергоэффективность / низкое потребление
• Низкая температура / меньше излучаемого тепла
• Гибкость дизайна
• Они могут производить много разных цветов и даже белый свет.
• Высокая скорость переключения
• высокая интенсивность света
• Может быть разработан для фокусировки света в одном направлении
• Это твердотельные полупроводниковые устройства, поэтому они более надежны: более устойчивы к тепловым ударам и вибрациям.
• Отсутствие УФ-лучей

недостатки

• Зависимость выходной мощности излучения и длины волны светодиода от температуры окружающей среды.
• Чувствительность к повреждению из-за избыточного напряжения и/или избыточного тока.
• Теоретическая общая эффективность достигается только в особых холодных или импульсных условиях.

приложений

Наконец, что не менее важно, необходимо показать, какие возможные применения для чего предназначены эти цветные светодиоды:

• для автомобильных фар
• Вывески: указатели, знаки, светофоры
• Отображение визуальной информации на информационных панелях
• Для дисплеев, где пиксели состоят из светодиодов
• Медицинские приложения
• игрушки
• освещение
• Пульты дистанционного управления (ИК-светодиоды)
• И т.д