Светодиод или светоизлучающий диод

Светодиод или светоизлучающий диод — это полупроводниковый прибор, который призван преобразовывать электрическую энергию в энергию светового излучения. Излучаемый свет находится в узком диапазоне спектра, спектральные характеристики которого зависят от химического состава полупроводников в нем использованных. Другими словами, кристаллы светодиодов излучают конкретный цвет, что отличает их от обычной лампы, которая излучает более широкий спектр, за счет чего конкретный цвет отсеивается внешним световым фильтром. Кроме того, отличие светодиода от лампы накаливания и люминесцентной лампы состоит в том, что электрический ток преобразуется сразу в световое излучение. Таким образом, светодиод мало нагревается, значительно прочнее и надежнее обычной лампочки. Основной недостаток светодиода — это его стоимость. Потому что на сегодняшний день купить светодиод обойдется в несколько раз дороже, чем купить, например,  галогеновую лампу. Однако прогнозы говорят о том, что в ближайшее время ситуация может измениться.     

История развития светодиодов

В 1907 году инженер Х. Д.  Раунд, работая в лаборатории Маркони, обнаружил необыкновенное свечение вокруг точечного контакта работающего детектора. Тем не менее открытие такого понятия, как «электролюминесценция» полупроводников, приписывается не ему, а Лосеву Олегу Владимировичу. В 1923 году Лосев проводил исследования излучательной рекомбинации, наблюдал излучение света, которое исходило из кристаллов карбида кремния. Благодаря чему миру стало известно об электролюминесценции полупроводников. С тех пор началось активное изучение этого явления.   В тридцатые годы двадцатого века в прессе стали появляться первые статьи о результатах наблюдений учеными за кристаллами нитрида галлия. Тем не менее промышленная разработка светодиодных ламп началась не сразу, а только к 50-м годам. Именно в это время в США появился центр по разработке ламп, которые функционировали, основываясь на использовании «эффекта Лосева». Первые промышленные светодиоды были созданы в лаборатории Университета штата Иллинойс. Длина волны, излучаемой этими приборами, составляла 500-600 нм, а это является пределом верхней границы восприятия человеческого глаза. Поэтому такого зелено-желтого свечения вполне хватало для целей индикации. Световая отдача этих светодиодов составляла около одного-двух Лм/Вт. К 70-м годам 20 столетия была создана первая  в мире светодиодная лампа. В то же время в Соединенных Штатах компанией Hewlett-Packard был произведен самый первый в мире рекламный светодиодный экран. Дисплей светился очень слабо, а информация на нем отображалась одним красным цветом. В то же время в лаборатории IBM был создан голубой, а затем фиолетовый светодиод. Подобный эффект свечения стал возможен благодаря применению эпитаксиальных пленок. Уже к концу 70-х годов на основе фосфидов алюминия, галлия и индия начали появляться желтые, желто-зеленые и красно-оранжевые светодиоды.  

Принцип работы светодиода

Светодиод представляет собой диод полупроводникового типа. По сути, это соединение двух кусков полупроводника с разными типами проводимости. Один («n-тип») обладает избытком электронов, а второй («p-тип») — избытком дырок. В устройстве светодиодов основное значение имеет тот процесс, который происходит непосредственно после того, как через диод проходит ток. Именно в этот момент происходит рекомбинация носителей электрического заряда, и отрицательно заряженные электроны занимают места в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. При встрече электрона с дыркой происходит выделение энергии, излучается фотон, квант света. Если излучения не происходит, высвобожденная энергия превращается в тепловую и нагревает вещество. Необходимо, чтобы в полупроводниковых кристаллах было минимальное количество дефектов, чтобы рекомбинация происходила без излучения. Кроме того, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны в светодиоде  была близка к энергии квантов света видимого диапазона. Чтобы соблюсти все необходимые условия недостаточно одного p-n-перехода. Поэтому изготавливаются многослойные полупроводниковые системы, которые называются гетероструктурами. Цвет светодиода напрямую зависит от ширины запрещенной зоны, в которой электроны и дырки рекомбинируют. Энергия квантов будет тем выше, чем «синее» будет светодиод.      

Характеристики светодиодов

Светодиод является низковольтным прибором. Обычный светодиод, который  применяется в качестве индикатора, потребляет от 2 до 4 Вольт постоянного напряжения, используя при этом ток до 50 мА. Светодиоды, используемые для освещения, потребляют такое же напряжение, однако ток им необходим повыше — от сотни мА до 1А. В светодиодных кластерах отдельные светодиоды подключаются последовательно, что делает их суммарное напряжение более высоким (до 12, иногда до 24 В). При подключении светодиодов очень важно соблюдать полярность, чтобы прибор не вышел из строя. Как правило, производители указывают напряжение пробоя, которое в среднем составляет обычно более 5 В для одного диода. Яркость светодиода характеризуют световой поток и осевая сила света. Различаются светодиоды по форме конструкции — они могут излучать в телесных углах от 4 и до 140 градусов. Цвет излучения светодиода определяется цветовой температурой и координатами цветности, кроме того, на него оказывает влияние длина волны излучения. Чтобы сравнить эффективность светодиодов между собой или с другими источниками света, существует такая характеристика как светоотдача. Она представляет собой величину светового потока на один Вт электрической мощности.  

Преимущества светодиодов

Светодиоды обладают большей долговечностью по сравнению с другими источниками света. Срок службы светодиодной лампы может превышать срок службы обычной лампы накаливания в 100 раз, а срок службы люминесцентной лампы в 5 или даже в 10 раз. Однако срок службы светодиодов также не бесконечен. Чем больший ток пропущен через светодиод в процессе его использования, тем выше будет его температура, а следовательно, тем скорее он выйдет из строя. Таким образом, у более мощных светодиодов срок службы меньший, чем у более слабых — индикаторных. Показателем того, что светодиод пора заменить, является уменьшение яркости.  Светодиод намного безопаснее, так как он работает при низком напряжении и не сильно  нагревается.  Еще одной важной характеристикой светодиодов является их экологичность — в них не содержится ртуть, и они не производят ультрафиолетового излучения, как, например, люминесцентные лампы.  Светодиоды нечувствительны к низким температурам, что делает возможным их использование в наружной рекламе. Однако в то же время светодиодам абсолютно противопоказаны высокие температуры, как, впрочем, любым полупроводникам.  Светодиоды обладают очень малой инерционностью, именно поэтому они включаются сразу на полную мощность, в отличие от ртутно-фосфорных ламп. Светодиодные лампы можно включать и выключать неограниченное количество раз — это никак не повлияет на срок их службы. Однако все характеристики светодиодов достижимы только при правильном их использовании.  

Применение светодиодов

В настоящее время светодиод нашел применение почти во всех областях светотехники. Исключение составляет, разве что, освещение больших производственных площадей, хотя даже там светодиоды зачастую используются в аварийном освещении. Светодиодный свет используется для передачи информации: сигнальные устройства, информационные табло, видео-дисплеи, где светодиоды формируют пиксели разных размеров. Одним из наиболее распространенных способов использования светодиодов являются  светодидные кластеры (светодиодные модули), которые представляют собой совокупность нескольких светодиодов в блоке определенного размера, которые работают совместно с пропускаемой ими информацией. Светодиодные кластеры используются также в наружной рекламе, контражурной и торцевой засветке, а также для внутренней подсветки, например, объемных букв. 

Светодидная лента  — гибкая пластиковая основа с клеящим слоем, закрытым защитной пленкой, и расположенными на ней светодиодами — еще один способ применения светодиодов. Широко используется для внутренней и наружной подсветки рекламной продукции, для устройства декоративной подсветки потолков, стен, штор, мебели и т. д. Более мощные светодиоды используются в качестве источников света в фонарях, дорожных светофорах и знаках. Также светоизлучающие диоды применяются в стоп-сигналах и индикаторах поворотов автомобилей. Светодиоды используются в фонариках, для подсветки дисплеев и клавиатур мобильных телефонов, для освещения в автомобилях, уличном освещении и т. д. Светодиоды нашли свое применение также в качестве источников модулированного оптического излучения (например, передача сигналов по оптоволокну, пульты дистанционного управления, Интернет); в играх, различных игрушках, USB-устройствах; в гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт. В качестве индикаторов они могут применяться как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах).