Färgade lysdioder: hur får du de olika färgerna?

mycket Färgade lysdioder De har följt med oss ​​de senaste åren. Varje gång dyker det upp nya nyanser av lysdioder, eftersom det inte har varit lätt i alla fall. Som en kuriosa bör du till exempel veta att LED-ljus med vitt ljus och LED med blått ljus har varit bland de sista som kommit ut på marknaden.

För närvarande har de blivit en typ av diod avgörande för många områden. Därför kommer du att lära dig i den här artikeln allt du behöver veta På dessa grundläggande elektroniska komponenter, och om varför de avger ljus, varför dessa färger och mycket mer...

Halvledare ljusemitterande källor

Som du borde veta är de två källorna för ljusemission som kan komma från halvledarenheter Laserdioder och LED-dioder. Medan LED är baserad på spontan emission, baseras lasrar på stimulerad emission. Det är skillnaden mellan de två.

mycket ljusemitterande dioder (Light Emitting Diode) de är den vanligaste ljuskällan bland elektronisk utrustning. De används för att visa tiden på digitala klockor, för att signalera drift eller laddning av batteriet, etc. Applikationerna är många och nu har man även hoppat in i belysning med de nya LED-lamporna för att lysa upp alla typer av rum och även för fordon.

Dessa LED-enheter tillhör gruppen av opto-halvledare, kapabel att omvandla en elektrisk ström till ljus. Denna belysningsenhet har den stora fördelen att vara hållbar, eftersom den inte brinner ut som glödlampor, och den är också mycket effektivare, så förbrukningen är mycket lägre än konventionella glödlampor. Dessutom är deras tillverkningskostnad mycket låg, vilket är anledningen till att de har blivit så populära.

Som alla andra halvledarenheter har LED de grundläggande huvudelementen, såsom P-zoner med hål (+) och N-zoner med elektroner (-), det vill säga de vanliga laddningsbärarna för alla halvledare. Och detta gör:

• När P-sidan är ansluten till en strömkälla och N-sidan till jord, är anslutningen framåtspänd, vilket gör att ström flyter genom dioden och sänder ut ljus som vi alla kan se.
• Om P-sidan är ansluten till jord och N-sidan är ansluten till strömförsörjningen, sägs anslutningen vara omvänd förspänd, vilket förhindrar strömflödet. Du vet redan att dioder förhindrar passage av ström i en riktning.
• När de är framåtspända kombineras P-sidans och N-sidans majoritets- och minoritetsladdningsbärare med varandra, vilket neutraliserar laddningsbärare i utarmningsskiktet av PN-övergången. Och i sin tur frigör denna migration av elektroner och hål en viss mängd fotoner, det vill säga en del av energin emitteras i form av ljus, med en konstant (monokromatisk) våglängd. Detta är vad som kommer att känneteckna färgen på lysdioden, eftersom den beroende på våglängden den sänder ut kan vara IR, blå, gul, grön, gul, bärnsten, vit, röd, UV, etc.
• Den emitterade våglängden för det elektromagnetiska spektrumet, och därför färgen, bestäms av de halvledarmaterial som bildar diodens PN-övergång. Därför kan halvledarföreningar varieras eller lekas med för att skapa nya färger inom spektrumet eller det synliga området.

Det ska sägas att färgerna röd, blå och grön (RGB eller Red Green Blue) enkelt kan kombineras för att kunna producera vitt ljus. Å andra sidan måste det sägas att även lysdiodernas arbetsspänning varierar beroende på färg. Till exempel behöver färgerna rött, grönt, bärnsten och gult cirka 1.8 volt för att fungera. Och det är att arbetsspänningsområdet för den ljusemitterande dioden kan bestämmas enligt nedbrytningsspänningen för halvledarmaterialet som används för tillverkning av LED.

LED-typer

Lysdioder kan klassificeras på flera sätt, en av de viktigaste är att göra det enligt den våglängd de avger, vilket två kategorier:

•  synliga lysdioder: är de som avger våglängder inom det synliga spektrumet, det vill säga mellan 400nm och 750nm. Detta område är vad det mänskliga ögat kan se, precis som vi i ljudfältet bara kan höra mellan 20 Hz och 20 Khz. Under 20 Hz är infraljud som vi inte kan höra, och över 20 Khz är ultraljud som vi inte heller kan fånga. Något liknande händer i fallet med ljus, med infrarött eller IR när det går under 400 nm och ultraviolett ljus när det går över 750 nm. Båda osynliga för det mänskliga ögat.
•  osynliga lysdioder: är de våglängder som vi inte kan se, som är fallet med en IR-diod eller en UV-diod.

Synliga lysdioder används främst för belysning eller signalering. Osynliga lysdioder används i applikationer inklusive optiska omkopplare, optisk kommunikation och analys, etc., med användning av fotosensorer.

effektivitet

Som du väl vet är LED-belysning mycket mer effektiv än konventionella, så det förbrukar mycket mindre energi. Detta beror på arten av lysdioder. Och i följande tabell kan du se förhållandet mellan ljusflödet och den elektriska ineffekten som tillförs lysdioden. Det vill säga, det kan uttryckas i lumen per watt (lm/W):

LED-konstruktion

Källa: ResearchGate

La struktur och konstruktion av lysdioder skiljer sig mycket från en vanlig diod, som en zener, etc. Ljus kommer att sändas ut från lysdioden när dess PN-övergång är framåtspänd. PN-övergången är täckt av en solid epoxiharts och halvklotformad kupol av transparent plast som skyddar LED:ns insida från atmosfäriska störningar, vibrationer och termiska stötar.

PN-övergången bildas med hjälp av materialen föreningar med lägre bandgap såsom galliumarsenid, galliumarsenidfosfid, galliumfosfid, indiumgalliumnitrid, galliumaluminiumnitrid, kiselkarbid, etc. Till exempel är röda lysdioder byggda på galliumarsenidsubstrat, gröna, gula och orangea på galliumfosfid, etc. I de röda är skiktet av N-typ dopat med tellur (Te) och P-skiktet är dopat med zink (Zn). Å andra sidan är kontaktskikten bildade av aluminium på P-sidan och tenn-aluminium på N-sidan.

Dessutom bör du veta att dessa korsningar inte avger mycket ljus, så den epoxiharts kupol den är konstruerad på ett sådant sätt att fotoner av ljus som emitteras av PN-övergången bäst reflekteras och fokuseras genom den. Det vill säga att den inte bara fungerar som ett skydd, utan också som en ljuskoncentrerande lins. Det är anledningen till att det utsända ljuset ser ut att vara ljusare längst upp på lysdioden.

Lysdioderna är utformade för att säkerställa att det mesta av rekombinationen av laddningsbärare sker vid PN-övergångens yta av uppenbara skäl, och det uppnås på detta sätt:

• Genom att öka dopningskoncentrationen av substratet flyttar ytterligare minoritetsladdningsbärarelektroner sig till toppen av strukturen, rekombinerar och avger ljus på LED-ytan.
• Genom att öka diffusionslängden för laddningsbärarna, det vill säga L = √ Dτ, där D är diffusionskoefficienten och τ är laddningsbärarens livslängd. När det höjs utöver det kritiska värdet kommer det att finnas en möjlighet till reabsorption av de frigjorda fotonerna i enheten.

Således, när LED-dioden är ansluten med framåtförspänning, lastbärare de får tillräckligt med energi för att övervinna den befintliga potentiella barriären vid PN-övergången. Minoritetsladdningsbärare i både P-typ och N-typ halvledare injiceras över kopplingen och rekombineras med majoritetsbärare. Kombinationen av majoritets- och minoritetsbärare kan vara på två sätt:

• strålnings-: när ljus avges under rekombination.
• inte strålande: under rekombination avges inget ljus, värme produceras. Det vill säga att en del av den tillförda elektriska energin går förlorad i form av värme och inte ljus. Beroende på hur mycket energi som används för att generera ljus eller värme, kommer detta att vara effektiviteten hos LED.

organiska halvledare

På senare tid har de också tagit sig in på marknaden OLED eller organiska lysdioder, som har använts för displayer. Dessa nya organiska dioder är sammansatta av ett material av organisk natur, det vill säga en organisk halvledare, där ledning är tillåten delvis eller i hela den organiska molekylen.

Dessa organiska material kan finnas i kristallin fas eller i polymera molekyler. Detta har fördelen av att ha en mycket tunn struktur, låg kostnad, de behöver mycket låg spänning för att fungera, de har hög ljusstyrka och maximal kontrast och intensitet.

LED-färger

Till skillnad från vanliga halvledardioder sänder lysdioder ut det ljuset på grund av de föreningar de använder, som jag nämnde tidigare. Normala halvledardioder är gjorda av kisel eller germanium, men ljusemitterande dioder har föreningar såsom:

• galliumarsenid
• galliumarsenidfosfid
• Kiselkarbid
• indiumgalliumnitrid

Att blanda dessa material kan ge en unik och annorlunda våglängd, för att uppnå önskad färg. Olika halvledarföreningar avger ljus i definierade områden av det synliga ljusspektrumet och producerar därför olika nivåer av ljusintensitet. Valet av halvledarmaterial som används vid tillverkningen av LED kommer att bestämma våglängden för fotonemissionerna och den resulterande färgen på det emitterade ljuset.

Strålningsmönster

Strålningsmönstret definieras som ljusemissionsvinkeln i förhållande till den emitterande ytan. Den maximala mängden effekt, intensitet eller energi kommer att erhållas i riktningen vinkelrät mot den emitterande ytan. Ljusemissionsvinkeln beror på vilken färg som avges och varierar vanligtvis mellan cirka 80° och 110°. Här är en tabell med olika färger och material:

Färgen på ljus som sänds ut av en lysdiod bestäms inte av plastkroppsfärg som omsluter lysdioden. Detta måste göras mycket tydligt. Som jag nämnde tidigare används epoxiharts både för att förbättra ljuseffekten och för att indikera färg när lysdioden är släckt.

LED mångfärgad

På marknaden finns en brett utbud av lysdioder tillgängliga, med olika former, storlekar, färger, utgående ljusintensiteter, etc. Det måste dock sägas att den obestridda kungen för sitt pris är galliumarsenidfosfidröd LED, med en diameter på 5 mm. Det är den mest använda i världen, så det är den som tillverkas i störst kvantitet.

Men som du har sett finns det för närvarande många olika färger, och flera färger kombineras till och med för att producera en LED mångfärgad som den vi kommer att se i det här avsnittet...

bicolor

En tvåfärgad LED, som namnet antyder, är en LED som kan sändas ut i två olika färger. Detta uppnås genom att kombinera två olika färgade lysdioder i samma paket. På så sätt kan du byta från en färg till en annan. Till exempel som de lysdioder som du ser på vissa enheter för att indikera batteriladdningens tillstånd som blir röda när den laddas och grön när den redan har laddats.

För att bygga dessa lysdioder är parallellkopplade, med anoden på en lysdiod ansluten till katoden på en annan lysdiod och vice versa. På detta sätt, när ström tillförs någon av anoderna, kommer endast en lysdiod att tändas, den som får ström genom sin anod. Om båda anoderna drivs samtidigt är det också möjligt att slå på båda samtidigt med dynamisk omkoppling.

tricolor

Vi har även trefärgade lysdioder, det vill säga de kan avge tre olika färger istället för två. Dessa kombinerar tre lysdioder med en gemensam katod i samma paket, och för att tända en eller två färger måste du ansluta katoden till jord. Och strömmen som levereras av anoden för den färg du vill styra eller slå på.

Det vill säga för en eller tvåfärgad LED-belysning är det nödvändigt att ansluta strömförsörjning till endera anoden individuellt eller samtidigt. Dessa trefärgade lysdioder används också ofta i en mängd enheter, såsom mobiltelefoner, för att indikera aviseringar, etc. Dessutom genererar denna typ av diod ytterligare nyanser av primärfärgerna genom att tända de två lysdioderna vid olika likströmsförhållanden.

RGB LED

Det är i grunden en typ av trefärgad LED, i detta fall känd som RGB (röd grön blå), eftersom den avger dessa tre färger. Dessa har blivit väldigt populära i färgade lister och spelprylar, som du kanske vet. Men även om du har primärfärgerna är det inte möjligt att generera alla färger och nyanser. Vissa färger faller utanför RGB-triangeln, och färger som rosa, brunt etc. är svåra att komma åt med RGB.

LED fördelar och nackdelar

Nu är det dags att se vad som är de viktigaste fördelar och nackdelar av dessa LED-dioder:

Fördel

• Liten storlek
• Låg produktionskostnad
• Lång hållbarhet (smälter inte)*
• Hög energieffektivitet / låg förbrukning
• Låg temperatur / mindre utstrålad värme
• Designflexibilitet
• De kan producera många olika färger, och till och med vitt ljus.
• Hög växlingshastighet
• hög ljusintensitet
• Kan designas för att fokusera ljus i en riktning
• De är halvledarenheter i fast tillstånd, så de är mer robusta: mer motståndskraftiga mot termiska stötar och vibrationer
• Ingen närvaro av UV-strålar

Nackdelar

• Omgivningstemperaturens beroende av strålningsuteffekten och lysdiodens våglängd.
• Känslighet för skador på grund av överspänning och/eller överström.
• Teoretisk total effektivitet uppnås endast under speciella kalla eller pulserande förhållanden.

tillämpningar

Sist men inte minst är det nödvändigt att visa vad som är möjliga tillämpningar för vilka dessa färgade lysdioder är avsedda:

• för fordonsljus
• Skyltning: indikatorer, skyltar, trafikljus
• Visa visuell information på instrumentpaneler
• För skärmar där pixlarna består av lysdioder
• Medicinska tillämpningar
• leksaker
• Belysning
• Fjärrkontroller (IR-lysdioder)
• etc.