Zielona, żółta i czerwona dioda elektroluminescencyjnaStruktura wewnętrzna diody elektroluminescencyjnej: anoda (+) po lewej, katoda (–) po prawej stronieRóżne diody elektroluminescencyjneRóżnice pomiędzy diodami LED 3, 5 i 10 mmTrzymilimetrowe diody elektroluminescencyjneDiody płaskie (typSMD)Diody dużej mocy (tutaj przykład diod markiLuxeon)Diody LED podświetlające wentylator komputerowy
Do produkcji weszła w latach 60. XX w. w formie opracowanej przez amerykańskiego inżynieraNicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę.
Jednak już w latach 20. XX wieku, radziecki technik radiowyOleg Łosiew w trakcie badań półprzewodników zauważył, żediody ostrzowe ze złączem wykonanym z węgliku krzemu emitująświatło, w latach 1927–1930 opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych[1], co czyni go prawdziwym odkrywcą efektu elektroluminescencji.
Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony, przechodząc z wyższegopoziomu energetycznego na niższy, zachowują swójpseudopęd. Jest to tak zwane przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona nakwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowipasma walencyjnego odpowiada ta sama wartośćpędu.
Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jestarsenek galu (GaAs) i między innymi dzięki tej właściwości głównie ten związek stosuje się do produkcji źródeł promieniowania. Drugim powodem popularności arsenku galu jest jego bardzo duża sprawność kwantowa – parametr określający udział przejść rekombinacyjnych, w wyniku których generowane sąfotony, do ilości nośnikówładunku przechodzących przezwarstwę zaporową złącza p-n (przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza).
gdzie:
– całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego,
– całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza,
– moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika,
Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przezmaterię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnychdługości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia zelektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasamipole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku wzłączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania:
Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej O ile wewnętrzna sprawność kwantowa jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.
Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne
gdzie jest współczynnikiem załamania.
Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji gdzie jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.
Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku diody płaskiej określa zależność:
gdzie:
– moc wejściowa elektryczna,
– współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza,
– strumień fotonów,
– współczynnik odbicia od kontaktu tylnego,
– współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody,
– grubość obszaru n lub p diody.
Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj technikądyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.
Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocąprzetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych, na przykładGaAsP, w których są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali = 650nm.
Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski do 950 nm – bliska podczerwień.
Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego, na przykład arsenek galu, fosforek galu, arsenofosforek galu, o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego; są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.
niebieska, biała (gdy dioda jest pokryta luminoforem, który wzbudzany przez niebieskie światło diody z azotku galu świeci przykładowo na żółto, co w efekcie daje barwę białą z widocznym lekkim niebieskim odcieniem)
Średniprąd przewodzenia nie powinien przekraczać 20–1500 mA, zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranegoopornika połączonego szeregowo z diodą lubstabilizatora prądu. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania diody.
Diody elektroluminescencyjne produkowane są w różnych wielkościach i kształtach obudowy. W większości przypadków kolor obudowy odpowiada barwie emitowanego światła. Wyjątek stanowią obudowy bezbarwne, które stosuje się do diod światła białego, jak i innych barw – również wielokolorowe oraz diod emitujących podczerwień.
Cool white LED – dioda generująca światło białe zimne (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa powyżej 5300 K)
HBLED,High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia. Za takie uważa się diody, których jasność przekracza 0,2 cd. Znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła: wsygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach.
High Power LED lubPower LED – dioda wysokiej mocy. Do poprawnej pracy wymaga zapewnienia odpowiedniego chłodzenia iźródła prądowego do zasilania. Białe diody tego typu mają najczęściej emiter wielkości kilku mm², jasność 80–200lm przy prądzie 350 mA i pobieranej mocy około 1 W. Maksymalny prąd podawany przez producentów to zazwyczaj 0,7–1,5 A na 1 mm² struktury (maksymalny prąd zależy w głównej mierze od chłodzenia struktury świecącej diody). Firmy produkujące tego typu LED-y to (przykładowe modele w nawiasach):
CREE (XR-C, XR-E, XP-C, XP-E, XP-G, MC-E)
Luminus Devices (SST-50, SST-90)
Nichia
Osram Opto Semiconductors GmbH (Ostar, Oslon)
Philips Lumileds Lighting Company (Luxeon K2, Luxeon Rebel)
Seoul Semiconductors (SSC-P4, SSC-P7)
IR – emitujące promieniowanie podczerwone, stosowane w łączachświatłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania
Neutral white LED – dioda generująca światło białe neutralne (według normy PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa 3300–5300 K)
RGB LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski) i, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy
RGBA LED – rozszerzenie strukturyRGB o dodatkową diodę o kolorze bursztynowym, powiększającą osiągalną przestrzeń barw
RGBW LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze białym. Przykładem diody RGBW jest dioda firmy CREE model MC-E RGBW.
Warm white LED – dioda generująca światłobiałe ciepłe (według normy PN-EN 12464-1 jest totemperatura barwowa poniżej 3300K). Diody ciepłe mają najbardziej zbliżoną temperaturę barwową do światłażarówki.
Zespoły diod elektroluminescencyjnych są stosowane w różnego rodzaju wyświetlaczach, na przykładsiedmiosegmentowych.
.jpg)
.jpg)
