FAQ по светодиодам, осветительным приборам и светодиодному освещению

[DmitriyZ]

Светодиоды. Определение. Принцип работы
Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе, от химического состава использованных в нём полупроводников. Он кардинально отличается от традиционных источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы, разрядные лампы высокого и низкого давления.
Генерация света (рис. 1) в СД происходит за счет энергии, выделяемой при рекомбинации носителей тока - электронов и дырок - на границе на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. Характер проводимости определяется не только самим материалом, но и примесями (легирующими веществами), вводимыми в основной материал в строго дозированных количествах. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется «полупроводником типа n». Материал с недостатком электронов, т. е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных поглотить электрон и стать нейтральным атомом, называется «полупроводником типа p». На границе таких материалов образуется p-n переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус - к материалу с электронной проводимостью n, плюс - с дырочной проводимостью p) через переход пойдет ток, а при рекомбинации электронов и дырок будет выделяться энергия. Величина энергии квантов, выделяемых при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов в возбужденном и нейтральных атомах, т. е. от ширины запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны от 1,7 до 3,4 эВ энергия излучаемых квантов соответствует видимому диапазону спектра с длинами волн от 700 до 400 нм. Эта энергия распространяется во всех направлениях. На рисунке 2 показана схема распространения света при рекомбинации одного электрона и «дырки».

Рисунок 1


Рисунок 2

Полупроводниковые материалы с различными типами проводимости и разной шириной запретной зоны делают на специальных установках методом эпитаксиального выращивания многопроходных двойных гетероструктур, которые возникли благодаря работам Ж. И. Алферова в начале 90-х годов, в жидкой или газообразной среде.

[DmitriyZ]

Типы светодиодов. Конструктивные особенности светодиодов
Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды (рис. 3) обычно являются недорогими, маломощными источниками света, пригодными для использования только в качестве световых индикаторов в индикаторных панелях и электронных приборах, для подсветки приборных панелей автомобиля. Осветительные светодиоды (рис. 4), представленные светодиодами поверхностного монтажа (SMD), высокой яркости (HB) и высокой мощности (HP) - это надёжные мощные устройства, способные обеспечить нужный уровень освещенности и обладающие световым потоком, равным или превосходящим световой поток традиционных источников света, например, КЛЛ.

Рисунок 3


Рисунок 4

Все осветительные светодиоды имеют одинаковую базовую конструкцию и состоят из полупроводникового кристалла или чипа, подложки, на которую они устанавливаются, контакты для электрического подключения, соединительные проводники для подсоединения контактов к кристаллу, теплоотвод, линзу и корпус. Т. к. индикаторные светодиоды являются маломощными, все генерируемое в них тепло рассеивается самим светодиодом. Осветительные светодиоды, напротив, снабжаются корпусом для прямого припаивания к поверхности, что обеспечивает отвод тепла, генерируемого светодиодом. Хороший теплоотвод жизненно необходим для обеспечения температурного режима и нормальной работы светодиода.

[DmitriyZ]

Цвета и материалы полупроводника
Путём соответствующего выбора полупроводникового материала и примеси можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодного кристалла, прежде всего на спектральную область излучения и эффективность преобразования подводимой энергии в свет (табл. 1). GaAlAs - арсенид галлия алюминия; на его базе - красные и инфракрасные светодиоды. GaAsP - фосфид арсенида галлия; AlInGaP - фосфид алюминий-индий-галий; красные, оранжевые и жёлтые светодиоды. GaP - фосфид галлия; зелёные светодиоды. SiC - карбид кремния; первый, коммерчески доступный голубой светодиод с низкой световой эффективностью. InGaN - нитрид индия-галлия; GaN - нитрид галлия; УФ, голубые и зелёные светодиоды.

Таблица 1

[DmitriyZ]

Люминофоры (неорганические сцинтилляторы)
В процессе производства белых светодиодов на светодиоды кристалл наносится слой люминофора. Оттенок или цветовая температура белого света, излучаемого светодиодом, определяется длиной волны света, испускаемого синим светодиодом и составом люминофора.
Белые светодиоды это обычно синие светодиоды InGaN с покрытием из подходящего материала. Часто используемый Церий(III)- легированный алюминиево-иттриевым гранатом (YAG:Ce3+ или Y3Al5O12:Се3+) (рис. 5-1); он поглощает свет от синего светодиода и излучает в широком диапазоне от зеленоватого до красноватого, причем большая часть выходит желтым светом. Бледно-желтые выбросы Се3+:YAG могут быть настроены путем замещения церия другими редкоземельными элементами, такими как тербий (Tb) и гадолиний (Gd) и даже может дополнительно скорректирована замещением части или всего алюминия в YAG галлием (Ga). Однако этот процесс не является люминесценцией. Желтый свет вырабатывается процессом, известным как [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки. Регистрация!], полное отсутствие послесвечения является одной из характеристик процесса.

Некоторые редкоземельные легированные Сиалоны (керамические сплавы на основе элементов кремния (Si), алюминия (Al), кислорода (O) и азота (N)) являются фотолюминесцентными и могут применяться в качестве люминофоров (рис. 5-2).

Сообщение от http://en.wikipedia.org/wiki/Sialon

Керамика сиалона специальный класс высокотемпературных огнеупорных материалов, высокой прочности (в т.ч. при высоких температурах), хорошей термостойкости и исключительной устойчивости к увлажнению и коррозии жидких металлов по сравнению с другими тугоплавкими материалами, такими как глинозём (Al2O3). Сиалоны имеют высокую износостойкость, низкий коэффициент теплового расширения и хорошую стойкость к окислению до ~1000 градусов по Цельсию.

Европий(Eu II)- легированный β-сиалоном поглощает в ультрафиолетовом и видимом спектрах и излучает интенсивное широкополосное видимое излучение. Его яркость и цвет не меняется существенно с температурой, из-за температурной стабильностью кристаллической структуры. Он имеет большой потенциал как зелёный понижающий частоту люминофор, для белых светодиодов; желтый вариант тоже существует. Для белых светодиодов, синий светодиод используется с желтым люминофором, или с зеленым и желтым люминофором сиалона и красным CaAlSiN3- основой (CASN) люминофора.
Белые светодиоды могут быть сделаны путем покрытия светодиодов излучающих ближний ультрафиолет (NUV) смесью высокой эффективности европия (Eu) основанные на красном и синем излучающих люминофорах плюс излучающем зеленым люминофором из меди и алюминия легированных сульфидом цинка (ZnS:Cu,Al). Это метод, аналогичен работе люминесцентных ламп.

Рисунок 5

[DmitriyZ]

Сцинтилляторы. Сцинтилляция
Сцинтилля́торы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения.

Основными характеристиками сцинтилляторов являются: спектр испускаемых определяемый вероятностью испускания фотонов данной длины волны; световой выход – отношение среднего числа фотонов одной сцинтилляции к энергии, затраченной частицей на торможение (количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ). Большим световым выходом считается величина 50—70 тыс. фотонов на МэВ.); энергетический выход – отношение суммарной энергии фотонов одной сцинтилляции к энергии, затраченной частицей на торможение; время высвечивания – время, в течение которого интенсивность отдельной сцинтилляции уменьшается в е раз; квенчинг-фактор отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching — «тушение») (частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход: частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжёлые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген; квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице; квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β-отношением, для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1). Все характеристики сцинтилляторов зависят от их химического состава, размеров и степени чистоты.

В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В светодиодах используются неорганические сцинтилляторы (в частности, YAG), они и будут рассмотрены подробнее.

Неорганические сцинтилляторы представляют собой кристаллы неорганических солей. Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидные соединения некоторых щелочных металлов. Для увеличения светового выхода таких сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами (например, таллий).

Процесс возникновения сцинтилляций можно представить при помощи зонной теории твердого тела. В отдельном атоме, не взаимодействующем с другими, электроны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно. Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами, является валентная зона. Выше ее располагается свободная зона - зона проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которой составляет несколько эВ.

Если в кристалле имеются какие либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, то в этом случае возможно появление энергетических электронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. При внешнем воздействии, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне останутся свободные места, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырками.

Описанный процесс и является процессом возбуждения кристалла. Возбуждение снимается путем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, происходит рекомендация электронов и дырок. Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанные центры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистого, беспримесного кристалла.

[KALAN]

Привет! Дмитрий, зачем так много "инфы" по физике в СД. Это многие знают. Проще было дать ссылку или отсканировать. Я не понял, зачем так все подробно в своих сообщениях писать.
Понятно, что на волне популярности СД источников света, Вы хотите делать благо. Но, наверное, те кто не знал физику полупроводников, тот вряд ли узнает её из ваших сообщений.
Извините! Примите мои слова, как совет и наилучшими пожеланиями.
Удачи Вам!

[DmitriyZ]

Светодиодные световые приборы и их состав
Для использования в целях освещения светодиоды должны быть объединены в систему, включающую оптику, драйверы, источники питания и теплоотводы. Все названные компоненты присутствуют в световом приборе.

К основным компонентам светодиодного светового прибора относятся: светодиоды; драйверы, для питания светодиодов стабилизированным током; источники питания; устройства для отвода тепла (вентиляционные отверстия и радиаторы); линзы и вторичная оптика, для концентрирования и эффективного распределения света в пространстве.

Светодиодные световые приборы имеют общие черты с традиционной светотехникой и в то же время отличаются от неё. Очень важно понимать эти сходства и различия, для того, чтобы корректно проводить сравнения между обычными и светодиодными приборами, а также для того, чтобы правильно подбирать светодиодные приборы для различных областей применений.

Правильно сконструированные светодиодные световые приборы по своим эксплуатационным характеристикам и экономичности не уступают и даже превосходят традиционные. Главным отличием светодиодных источников света от традиционных является то, что в светодиодах применяется совершенно иной принцип генерации света и используются абсолютно другие материалы.

Светодиодные источники света изначально являются направленными, и это минимизирует потери, связанные с фокусированием и экранированием света. Для светодиодов испускающих цветной свет, устраняются потери, связанные с использованием светофильтров для изменения цвета или распределения света, излучаемого традиционными источниками света.

[knjaz]

Сообщение от DmitriyZ

Рисунок 2

Рисунок 2 - не видно

[DmitriyZ]

Спасибо! Исправлено!

[савелий]

хорошая информация,
Никто не знает где можно найти переходное тепловое сопротивление кристалл-корпус для разных корпусов светодиодов? Искал но не нашел

[govoruhin87]

Сообщение от савелий

хорошая информация,
Никто не знает где можно найти переходное тепловое сопротивление кристалл-корпус для разных корпусов светодиодов? Искал но не нашел

В документации на светодиод. Каждый производитель вроде указывает. Из тех, с которыми работал:
Cree:
- XR-С - 12град/Вт
- XR-E - 8град/Вт
- XP-C - 12град/Вт
- XP-E - 9град/Вт
- XP-G - 6град/Вт
- XT-E - 5град/Вт
- XM-L - 2.5град/Вт
- MX-6 - 5град/Вт
Seoul Semiconductor:
- p4 w49180 - 8.5град/Вт
- p4 n42180 - 8.5град/Вт
- p4 s42180 - 8.5град/Вт
- p4 w42180-08 - 6.2град/Вт
- p4 s42180-08 - 6.2град/Вт
- p4 n42180-08 - 6.2град/Вт
- z5 SZW05A0A - 9град/Вт
- p7 W724C0 - 3град/Вт
- STW8Q14B - 18град/Вт
Osram:
- Oslon SSL - 7-9.4град/Вт
- Oslon EQW - 7-9.4град/Вт
- Oslon Black Series - 6.5-11град/Вт
- Golden Dragon oval plus - 6.5-11град/Вт
- Golden Dragon plus - 6.5-11град/Вт
LED SEMICONDUCTOR (COB):
- пишут~1.2град/Вт
Китайские одноваттники KF15W1PA4:
- 10град/Вт