Светоизлучающий диод
-
История светодиодов
- Первые светодиоды появились в 1962 году и излучали инфракрасный свет.
- В 1960-х годах начались исследования светодиодов видимого света.
- В 1968 году появились первые коммерческие светодиоды видимого света.
-
Принцип работы светодиодов
- Светодиоды излучают свет при протекании тока через полупроводник.
- Цвет света определяется энергией электронов в запрещенной зоне полупроводника.
- Белый свет получается при использовании нескольких полупроводников или люминофора.
-
Преимущества и недостатки светодиодов
- Преимущества: низкое энергопотребление, длительный срок службы, меньшие размеры, быстрое переключение.
- Недостатки: электрические ограничения, невозможность обеспечить устойчивое освещение, меньшая максимальная рабочая температура.
-
Развитие технологий
- В 1930-х годах были созданы первые светодиоды на основе карбида кремния.
- В 1950-х годах появились первые инфракрасные светодиоды.
- В 1960-х годах были разработаны первые светодиоды видимого света на основе GaAsP.
-
Коммерческое применение
- Первые коммерческие светодиоды использовались в калькуляторах, телевизорах и часах.
- В 1970-х годах светодиоды стали дешевле благодаря технологии planar.
- Современные светодиоды упакованы в прозрачные пластиковые корпуса и часто тонированы.
-
История синих светодиодов
- Первый сине-фиолетовый светодиод изготовлен в 1972 году Хербом Маруськой и Уолли Райнсом.
- В 1974 году выдан патент на работу.
- В 1989 году Cree представила первый коммерчески доступный синий светодиод на основе карбида кремния.
-
Развитие синих светодиодов
- В конце 1980-х годов достигнуты ключевые достижения в эпитаксиальном выращивании GaN.
- В 1991 году Теодор Мустакас запатентовал метод производства синих светодиодов высокой яркости.
- В 1993 году Шуджи Накамура продемонстрировал синие светодиоды высокой яркости.
-
Белые светодиоды и прорыв в освещении
- В 1995 году Альберто Барбьери исследовал эффективность и надежность светодиодов.
- В 2001 и 2002 годах успешно продемонстрированы процессы выращивания светодиодов из нитрида галлия на кремнии.
- В 2012 году Osram продемонстрировала мощные светодиоды InGaN на кремниевых подложках.
-
Современные технологии белых светодиодов
- В 2014 году продемонстрированы экспериментальные белые светодиоды с эффективностью до 303 лм/Вт.
- Светодиоды заключены в пластиковую форму и могут содержать люминофор YAG.
- В некоторых светодиодах используется одна пластиковая крышка с YAG-люминофором для нескольких синих светодиодов.
-
Многоцветные светодиоды
- В 2024 году QPixel представила полихроматический светодиод для цифровых дисплеев.
- Светодиод излучает свет различной частоты, модулируемый изменением напряжения.
-
Физика образования и излучения света
- В светодиоде рекомбинация электронов и дырок приводит к образованию света.
- Длина волны света зависит от ширины энергетической запрещенной зоны полупроводников.
- Свет, излучаемый светодиодом, не является спектрально когерентным и не достигает высокой интенсивности, характерной для лазеров.
-
Рабочие напряжения светодиодов
- Увеличиваются с длиной волны излучения
- Зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника
-
Синие светодиоды
- Активная область из квантовых ям InGaN
- Изменяя долю In/Ga, можно изменять излучение
-
Ультрафиолетовые светодиоды
- Используют AlGaN и AlGaInN
- Эффективны, но не достигли уровня InGaN/GaN
-
Зеленые светодиоды
- Эффективнее и ярче, чем без нитридных материалов
- Практичные устройства имеют низкую эффективность
-
Ультрафиолетовые светодиоды для дезинфекции
- Используются для дезинфекции и стерилизации
- Эффективны при длине волны 250-270 нм
-
Белые светодиоды
- Используют отдельные светодиоды или люминофоры
- Люминофоры преобразуют монохроматический свет в белый
-
Системы RGB
- Требуют электронных схем для смешивания цветов
- RGB-диоды редко используются для белого освещения
-
Многоцветные светодиоды
- Позволяют формировать свет разных цветов
- Проблемы с цветопередачей и стабильностью цвета
-
Светодиоды на основе люминофора
- Используют люминофоры для преобразования синего света в белый
- Потеря эффективности из-за стокс-сдвига и других проблем
-
Разработка эффективных люминофоров
- YAG-люминофор остается наиболее эффективным
- Оптимизация дизайна упаковки и типа люминофора
-
Конструкции белых светодиодов
- Синие светодиоды внутри эпоксидной смолы или с выносным люминофором
- Выносные люминофоры обеспечивают рассеянный свет
-
Материалы для люминофоров
- Легированный церием иттриево-алюминиевый гранат (Ce3+:YAG)
- Смесь люминофоров на основе европия и сульфида цинка
-
Методы производства белых светодиодов
- Использование нитрида галлия на кремнии (GaN-on-Si) вместо сапфировой подложки
- Переход от сапфировых к кремниевым подложкам для снижения затрат
-
Смешанные белые светодиоды
- RGBW светодиоды сочетают RGB и белый свет
- RGBWW светодиоды имеют настраиваемый белый цвет
- Тусклые до теплых светодиоды имитируют лампу накаливания
-
Другие белые светодиоды
- Использование гомоэпитаксиально выращенного селенида цинка (ZnSe)
- Органические светодиоды (OLED) с органическими материалами
-
Типы светодиодов
- Миниатюрные светодиоды для индикаторов и лент
- Мощные светодиоды (HP-LEDs) для освещения
- Светодиоды, работающие от сети переменного тока
-
Специфика применения
- Эффективность светодиодов выше, чем у ламп накаливания
- Светодиоды чувствительны к напряжению и току
- Электрическая полярность светодиодов важна для их работы
-
Внешность светодиодов
- Светодиоды могут излучать свет заданного цвета без фильтров
- Светодиоды излучают мало тепла, что делает их безопасными для использования
-
Цветопередача светодиодов
- Светодиоды холодного белого цвета имеют спектры, отличающиеся от солнечного света и ламп накаливания.
- Метамеризм может привести к искажению цвета объектов.
- Качество цветопередачи измеряется индексом цветопередачи (CRI).
-
Затемнение светодиодов
- Светодиоды могут быть затемнены с помощью широтно-импульсной модуляции или уменьшения прямого тока.
- Светодиодные лампы могут казаться мигающими из-за стробоскопического эффекта.
-
Свойства света
- Светодиоды загораются быстро, достигая полной яркости менее чем за микросекунду.
- Светодиоды фокусируют свет, что делает их удобными для использования в различных областях.
- Светодиоды не обеспечивают сферическое световое поле, но могут быть сфокусированы с помощью линз.
-
Надежность светодиодов
- Светодиоды устойчивы к ударам и перегреву.
- Светодиоды имеют длительный срок службы, от 35 000 до 50 000 часов.
- Светодиоды подходят для частого включения-выключения.
-
Производство светодиодов
- Производство включает эпитаксию, обработку чипов, разделение чипов и упаковку.
- Светодиоды могут быть изготовлены с использованием различных материалов, таких как арсенид алюминия-галлия и нитрид индия-галлия.
-
Приложения светодиодов
- Светодиоды используются для визуальных сигналов, освещения, измерения и взаимодействия с процессами.
- Светодиоды применяются в садоводстве, индикаторах и знаках, освещении и дизайне.
-
Освещение
- Светодиоды используются в системах освещения, таких как уличные фонари и архитектурное освещение.
- Светодиоды снижают потребление электроэнергии и выбросы, что делает их устойчивыми.
- Светодиоды также используются в автомобильном освещении и освещении салонов самолетов.
-
Применение светодиодов в аэропортах
- Освещение взлетно-посадочной полосы
- Освещение центральной линии взлетно-посадочной полосы
- Освещение центральной линии и краев рулежной дорожки
- Указательные знаки и освещение препятствий
-
Использование светодиодов в бытовой технике
- Подсветка ЖК-телевизоров и мониторов
- Замена старых ЖК-дисплеев с подсветкой CCFL
- Светодиоды RGB расширяют цветовую гамму
-
Преимущества светодиодов
- Компактность, долговечность и низкое энергопотребление
- Использование в портативных устройствах, таких как фонарики
- Безопасное низкое напряжение для вспышек фотоаппаратов
-
Применение светодиодов в медицине и образовании
- Улучшение настроения
- Исследования НАСА по использованию светодиодов для здоровья астронавтов
-
Передача данных и сигнализация
- Подсветка для ориентации в замкнутых пространствах
- Передача звука через инфракрасные светодиоды
- Передача данных по волоконно-оптическим кабелям
-
Системы машинного зрения
- Сканеры штрих-кодов используют красные светодиоды
- Оптические компьютерные мыши используют светодиоды
- Светодиоды обеспечивают компактный и надежный источник света
-
Биологическое обнаружение
- Использование ультрафиолетовых светодиодов для обнаружения биологических агентов
- Детектор TAC-BIO для быстрого обнаружения биологических аэрозолей
- TAC-BIO GEN II для контроля качества воздуха и обнаружения грибка
-
Другие области применения
- Оптоволоконная связь и оптика свободного пространства
- Пульты дистанционного управления и оптоизоляторы
- Сенсорные системы и пульсоксиметры
- Светодиоды в качестве фотодиодов и для фотоизлучения
-
Исследования и разработки
- Усовершенствование люминофорных материалов и квантовых точек
- Улучшение процесса понижающего преобразования
- Усовершенствование красных люминофоров для повышения эффективности
-
Проблемы и достижения в светодиодах
- Снижение текущего КПД, изменение цвета, надежность системы, распределение света, затемнение, регулирование температуры и производительность источника питания остаются актуальными задачами.
- Первые подозрения на снижение эффективности из-за повышенных температур не подтвердились.
- В 2007 году была идентифицирована оже-рекомбинация как причина снижения эффективности.
-
Потенциальная технология: перовскитные светодиоды
- Перовскитные светодиоды (PLEDs) обладают потенциалом экономической эффективности и могут быть изготовлены из раствора.
- В 2018 году PLEDs сравнялись по эффективности с OLED-светодиодами.
- Современные PLED преодолели барьер производительности, достигнув КПД выше 20%.
-
Методы улучшения эффективности PLED
- Cao et al. использовали аминокислотные добавки для образования кристаллических пластинок субмикронного размера.
- Лин и его коллеги оптимизировали баланс электронов и дырок для повышения эффективности.
-
Здоровье и безопасность
- Некоторые синие светодиоды могут превышать безопасные пределы синего света.
- В 2006 году IEC опубликовал стандарт для классификации светодиодных источников.
- Светодиоды могут содержать опасные металлы, такие как свинец и мышьяк.
-
Экологические проблемы
- Световое загрязнение: белые светодиоды вызывают большее свечение неба.
- Воздействие на дикую природу: светодиоды привлекают насекомых и могут повредить пищевые сети.
- Использование в зимних условиях: светодиодные фонари могут быть закрыты снегом, что приводит к авариям.