Что такое светодиод? Подробное руководство: от принципов и структуры до областей применения.

Что такое светодиод?

Определение светодиода

Светодиод (LED) расшифровывается как светоизлучающий диод и представляет собой тип полупроводникового электронного устройства. Первоначально светодиоды могли излучать только инфракрасный свет низкой интенсивности и использовались для индикации правильности подключения цепи. Однако с появлением синих и зеленых светодиодов область их применения постоянно расширялась, что привело к взрывному росту. 

Эта эволюция охватывает период от первых применений в освещении до последующего внедрения в коммерческие экраны. Сегодня светодиоды стали незаменимым компонентом повседневной жизни. Будь то в повседневных предметах, таких как светодиодные лампочки и ЖК-мониторы, или в коммерческих приложениях, таких как светодиодные индикаторные лампы и светодиодные экраны, светодиоды повсюду.

История развития светодиодов

История светодиодов началась в 1906 году. Давайте рассмотрим хронологию:

• 1906 год: Британский инженер Генри Джозеф Лэнд открыл явление электролюминесценции в твердотельных диодах и опубликовал свои результаты в февральском номере журнала *Electrical World* за 1907 год;
• 1927 год: Советский изобретатель Олег Лосев изобрел светодиод из карбида кремния;
• 1962 год: Благодаря усилиям инженеров компании Texas Instruments, красные светодиоды из арсенида галлия (GaAs) были официально представлены на коммерческом рынке.
• 1970–1975: По мере совершенствования полупроводниковых планарных производственных процессов, появления автоматизированной упаковки, распространения материалов GaAsP и развития крупномасштабного производства компаниями HP и Monsanto, эти факторы в совокупности привели к падению цены на светодиоды, которая первоначально достигала $200, ниже 5 центов. В результате стало появляться все большее количество небольших электронных устройств на основе светодиодов.
• 1990 год: Синий светодиод был разработан совместно Сюдзи Накамурой, Хироши Амано и Исаму Акасаки, официально положив начало современной эре освещения.

Почему светодиоды так важны?

• Преобразование светотехнической отрасли: Лампы накаливания долгое время были стандартом освещения, главным образом потому, что светодиоды не могли излучать белый свет. После того, как Сюдзи Накамура, Хироши Амано и Исаму Акасаки совместно разработали синий светодиод, добавление желтых люминофоров позволило получать яркий белый свет. Это полностью изменило индустрию освещения, приведя к постепенной замене многих осветительных приборов светодиодами.
• Трансформация индустрии дисплеев: Изначально в индустрии дисплеев доминировали жидкокристаллические дисплеи (ЖКД). С появлением светодиодов, позволяющих создавать полноцветные изображения, они практически полностью вытеснили ЖКД с рынка наружных коммерческих дисплеев, совершив революцию в индустрии дисплеев.
• Энергоэффективность и экологические преимущества: Лампы накаливания долгое время страдали от высокого энергопотребления и низкой яркости, но отсутствие синих светодиодов ранее препятствовало производству белых светодиодных ламп. Успешная разработка синих светодиодов впоследствии позволила получить широкое распространение высокоэффективные, энергосберегающие светодиодные лампы, которые теперь полностью заменили энергоемкие лампы накаливания.

Как работают светодиоды

Что такое диод?

Диод — это электронный компонент с однонаправленной проводимостью. Этот компонент позволяет току течь только от положительного полюса (анода) к отрицательному полюсу (катоду). Это чем-то похоже на улицу с односторонним движением в реальном мире.

Почему светодиоды излучают свет?

Основной принцип работы светодиодного освещения — электролюминесценция. Для работы диода необходимо одновременное присутствие полупроводника P-типа (положительно заряженного) и полупроводника N-типа (отрицательно заряженного). При подаче положительного тока на светодиод электроны и дырки движутся к PN-переходу (переходу) в центре. 

По мере продолжения протекания тока избыточные электроны попадают в дырки и рекомбинируют, вызывая переход между энергетическими уровнями. Этот переход высвобождает избыточную энергию, преобразуя электрическую энергию в световую.

Как определяется цвет светодиода?

Цвет светодиода в первую очередь определяется длиной волны фотонов. Длина волны фотонов, в свою очередь, зависит от “ширины запрещенной зоны” полупроводникового материала. Ширина запрещенной зоны связана с легированным материалом. В следующей таблице показана взаимосвязь между различными цветами и материалами:

• Светодиоды, излучающие красный или желтый свет: легированы такими материалами, как арсенид галлия (GaAs) или фосфид галлия (GaP).
• Светодиоды, излучающие зеленый свет: легированные такими материалами, как GaP или нитрид галлия (GaN).
• Светодиоды, излучающие синий свет: легированные такими материалами, как GaN.
• Светодиоды, излучающие белый свет: синий свет + желтый люминофор
• Полноцветные (RGB) светодиоды: состоят из красных, зеленых и синих светодиодов.

Базовая структура и состав светодиодов

Светодиодный чип

Светодиодный чип представляет собой тонкую полупроводниковую пластину, состоящую из нескольких слоев, толщиной от 100 до 500 микрометров. Внутренняя часть светодиода состоит из подложки, буферного слоя, N-полупроводникового слоя, активного слоя, P-полупроводникового слоя и слоя распределения тока. Внешняя часть светодиода состоит из подложки (железо, медь, керамика и т. д.), соединительных проводов (золото, серебро, медь и т. д.), люминофоров и эпоксидной или силиконовой оболочки.

• Функция микросхемы
• Эпитаксиальная пластина и подложка
• Распространенные материалы для микросхем
• GaN
• InGaN (нитрид индия-галлия)
• AlGaInP (фосфид алюминия, галлия и индия)
• GaAs

Электроды и провода

Как уже упоминалось, светодиоды представляют собой однонаправленные полупроводниковые материалы. Неправильное соединение положительного и отрицательного выводов может легко привести к немедленному перегоранию светодиода. Поэтому понимание строения электродов и выводов светодиода имеет решающее значение. В настоящее время существует два основных типа выводов: для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа.

• Электроды светодиодов с выводами для сквозного монтажа относительно легко различить; как правило, более длинный вывод является положительным полюсом, а более короткий — отрицательным.
• Светодиоды поверхностного монтажа имеют меньшие размеры и припаиваются непосредственно к печатной плате, что затрудняет их различение. Обычно для их идентификации мы используем металлические маркировки полярности на нижней стороне.
• Т-образные или треугольные обозначения: На нижней или задней стороне светодиода для поверхностного монтажа имеется зеленая или белая Т-образная или стреловидная маркировка. Сторона, указанная направлением стрелки или горизонтальной чертой буквы “Т”, является отрицательным выводом.
• Идентификационная метка: У некоторых светодиодов для поверхностного монтажа есть выемка вдоль одной из диагоналей; положение, соответствующее выемке, является отрицательным выводом.

Четыре основных компонента корпусов светодиодов

Подложка: Используется для поддержки всей структуры светодиода. В основном они делятся на типы для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа. Типы для сквозного монтажа имеют видимые выводы, в то время как типы для поверхностного монтажа используют структуру подложки печатной платы.

• Чип: Основной компонент, определяющий цвет излучения светодиода. Монохромные светодиоды обычно содержат одноцветный чип, в то время как полноцветные светодиоды требуют наличия чипов для всех трех цветов: красного, зеленого и синего.
• Соединительные провода: В первую очередь, необходимо соединить подложку с микросхемой, обеспечив протекание тока и подсветку микросхемы. Существуют различные типы соединительных проводов; золотой провод является самым качественным, за ним следует медный провод. Стоит отметить, что в настоящее время доступны технологии COB и flip-chip COB, позволяющие припаивать микросхему непосредственно к печатной плате без необходимости использования подложки или соединительных проводов.
• Эпоксидно-силиконовая герметизация (герметизирующий материал): в первую очередь, полностью герметизирует светодиод, предотвращая коррозию структуры светодиода от влаги и пыли и влияя на его стабильность.

Печатная плата (PCB)

Печатная плата выполняет три основные функции: электропроводность, теплоотвод и структурную поддержку. Существует четыре основных типа печатных плат: с алюминиевой подложкой, с подложкой из стекловолокна FR-4, с керамической подложкой и с медной подложкой. Давайте рассмотрим конкретные различия между ними:

Электрические характеристики светодиодов

Прямое напряжение

Прямое напряжение светодиода — это пороговое напряжение на светодиоде, при котором ток течет от анода к катоду. Если пороговое напряжение слишком низкое, светодиод не загорится. Если пороговое напряжение слишком высокое, светодиод выйдет из строя.

Для разных цветов требуется разное прямое напряжение, которое в основном зависит от ширины запрещенной зоны светодиода. Требуемое прямое напряжение для разных цветов различается; пожалуйста, обратитесь к сравнительной таблице ниже:

Примечание: Приведенные выше значения в основном относятся к обычным одиночным светодиодам. Однако в некоторых высоковольтных светодиодных лентах или специализированных осветительных приборах прямое напряжение может достигать 6 В, 9 В и более.

Рабочий ток

В пределах номинального диапазона, чем выше ток, тем ярче светодиод. В ходе реальных испытаний зависимость яркости светодиода от тока зависит от таких факторов, как материал и напряжение. Ниже приведены распространенные значения тока для светодиодов; при условии, что ток остается в пределах указанных номинальных диапазонов, гарантируется стабильная работа светодиода:

• Маломощные светодиоды (например, индикаторные лампы, светодиоды, используемые в светодиодных модулях): рабочий ток от 10 до 20 мА.
• Светодиоды средней мощности (например, люминесцентные лампы, лампы накаливания, прожекторы и т. д.): рабочий ток составляет от 30 до 60 мА.
• Мощные светодиоды (например, прожекторы, автомобильные фары и т. д.): рабочий ток составляет от 350 мА до 700 мА или даже выше.

Потребление электроэнергии и энергии

Мощность светодиода — это количество электрической энергии, потребляемой светодиодом в секунду. Формула: P = U × I

Где:

P = Мощность (Вт)

U = Напряжение (В)

I = сила тока (А)

Например, если у одного светодиода следующие рабочие параметры: напряжение 3,5 В, ток 15 мА, то, используя формулу, мы можем определить, что мощность этого светодиода составляет 0,0525 Вт (3,5 В × 0,015 А).

Энергопотребление светодиодов — это количество энергии, потребляемое за единицу времени. Формула: E = P × t

Где:

E = Потребление энергии

P = Мощность

t = Часы

Если подставить полученные выше параметры в эту формулу, то при 0,0525 Вт потребление энергии составит 0,0525 Вт·ч в час.

Основные типы светодиодов

DIP-светодиод

Светодиоды в корпусе DIP изготавливаются с использованием технологии сквозной компоновки. Их основные характеристики включают большой размер, высокую яркость (более 10 000 нит на квадратный сантиметр), высокую долговечность (более 100 000 часов работы) и большой шаг пикселя (10–20 мм). Светодиоды DIP лучше всего подходят для дорожных светодиодных дисплеев, монохромных светодиодных дисплеев и других типов недорогих светодиодных дисплеев.

SMD-светодиод

SMD-светодиод Они изготавливаются с использованием технологии поверхностного монтажа. Их ключевые особенности включают в себя отработанные производственные процессы и возможность достижения чрезвычайно широкого диапазона шага пикселей, охватывающего различные сценарии применения от 1 мм до 200 мм. SMD-светодиоды используются не только в различных типах коммерческих дисплеев, но и в бесчисленных областях применения в светотехнической промышленности.

COB-светодиод

В светодиодах COB чип интегрирован непосредственно на печатную плату, что исключает наличие множества промежуточных слоев и обеспечивает превосходное рассеивание тепла и энергоэффективность. Светодиоды COB в основном используются в коммерческих дисплеях и осветительных приборах; хотя оба типа устройств называются светодиодами COB, они совершенно разные по технологии и функциональности.

Стоит отметить, что COB-светодиод В осветительных приборах в основном используется технология интегрированных поверхностных источников света, тогда как в коммерческих дисплеях COB-светодиоды в основном обозначают технологию упаковки; необходимо тщательно различать эти два понятия.

Мини светодиод

Технология Mini LED в первую очередь подразумевает уменьшение размеров светодиодов до 50–200 мкм и добавление возможности локального затемнения. Поскольку Mini LED в основном интегрируются в ЖК-панели, добавленная функция локального затемнения предназначена, прежде всего, для более эффективного управления подсветкой ЖК-дисплея.

Микро светодиод

Микросветодиоды еще меньше, чем мини-светодиоды, их размеры составляют менее 50 мкм. Хотя они очень похожи на мини-светодиоды — и многие считают, что это просто дальнейшая миниатюризация мини-светодиодов — микросветодиоды на самом деле не относятся к категории ЖК-дисплеев. Вместо этого, как и OLED, они представляют собой тип самоизлучающей технологии отображения.

Мощные светодиоды

Под мощными светодиодами в первую очередь подразумеваются светодиоды, способные достигать более высоких уровней яркости, чем традиционные осветительные приборы. Кроме того, используемые чипы больше, чем те, что применяются в светодиодных модулях или светодиодных лентах. Это обеспечивает равномерное распределение яркости даже при чрезвычайно высоких уровнях яркости.

Важно отметить, что мощные светодиоды не обязательно больше по размеру, чем маломощные. Яркость светодиода зависит от тока, который может быть пропущен через единицу площади. Поэтому мощные светодиоды обычно больше по объему, чем по физическим размерам.

Адресуемые светодиоды

Адресуемые светодиоды рассматриваются отдельно, главным образом потому, что они существенно отличаются от других типов светодиодов. Традиционные светодиоды можно только включать и выключать одновременно, и ими нельзя управлять по отдельности. Адресуемые светодиоды, однако, отличаются. В них встроен микросхема, которая записывает адрес каждого светодиода и управляет ими, что позволяет создавать разнообразные динамические эффекты.

Основные преимущества светодиодов

Высокая энергоэффективность

Традиционные лампы накаливания должны нагреваться до чрезвычайно высоких температур (>2500 °C), чтобы излучать свет. Это означает, что значительное количество энергии расходуется на нагрев, а не на освещение; более 901 ТБ3Т энергии теряется в процессе освещения. В отличие от них, светодиоды потребляют лишь небольшое количество тока для производства света и выделяют минимальное количество тепла, что делает их очень энергоэффективными.

Чрезвычайно долгий срок службы

Светодиоды могут работать до 100 000 часов, в то время как другие осветительные приборы обычно имеют срок службы менее 50 000 часов. В частности, электроприборы, выделяющие много тепла, такие как лампы накаливания, часто имеют срок службы менее двух лет. В сравнении с ними светодиоды могут надежно работать более десяти лет при нормальной эксплуатации.

Низкое тепловыделение

Светодиоды, как представители семейства источников холодного света, выделяют очень мало тепла. К другим источникам холодного света, родственным светодиодам, относятся OLED-дисплеи и светодиоды на квантовых точках.

Экологически чистый

Компоненты светодиодов отличаются высокой экологичностью, не содержат ртути и других тяжелых металлов, что делает их пригодными для многократного использования. Кроме того, светодиоды по своей природе являются высокоэффективными светоизлучающими устройствами с высоким энергопотреблением, что делает их хорошо подходящими для стандартов с низким уровнем выбросов углерода.

Ударопрочность и долговечность

Превосходная конструкция светодиодов обеспечивает им высокую ударопрочность. Во-первых, их выводы прочно закреплены в печатной плате; во-вторых, полностью герметичный внешний корпус создает вакуумную среду внутри. В этом состоянии устройство эффективно поглощает внешнее давление.

Легко контролировать

Светодиоды очень просты в управлении, будь то системы освещения, системы отображения или системы подсветки. Именно благодаря этой характеристике в этих различных областях появились разнообразные методы управления. Например, в системах освещения светодиоды могут обладать возможностью адресации; в системах подсветки возможно зональное затемнение; а в системах отображения контент может управляться с помощью процессоров, компьютеров, USB-накопителей и других методов.

Безопасность при низком напряжении

Светодиоды требуют очень низкого напряжения, обычно 3,5 В или 5 В, что практически не представляет угрозы безопасности.

Различия между светодиодами и традиционными источниками света

Ранее мы упоминали различные традиционные источники света, такие как лампы накаливания и энергосберегающие лампы. Так в чем же разница между этими традиционными источниками света и светодиодами? Для удобства мы привели их в таблице.

Светодиодные лампы против ламп накаливания: сравнительная таблица характеристик

Светодиодные лампы против компактных люминесцентных ламп: сравнительная таблица характеристик

Светодиодные и люминесцентные лампы: сравнительная таблица характеристик.

Основные области применения светодиодов

Светодиодное освещение

Благодаря многочисленным выдающимся характеристикам светодиодов, практически все осветительные приборы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, теперь изготавливаются с использованием светодиодов.

• Освещение жилых помещений: светодиодные лампы, встраиваемые светильники, потолочные светильники, настольные лампы, светодиодные ленты, настенные бра и т. д.
• Коммерческое освещение: прожекторы, трековые светильники, панельные светильники, подвесные светильники, светильники для витрин, световые короба и т. д.
• Промышленное освещение: промышленные и горнодобывающие светильники, прожекторы, точечные светильники, взрывозащищенные светильники, освещение складских помещений и т. д.
• Уличные фонари

Светодиодные дисплеи

В модульных светодиодных дисплеях используются светодиодные модули, плотно упакованные светодиодными чипами. В зависимости от способа упаковки светодиодные дисплеи можно разделить на следующие категории. COB-светодиодные дисплеи, SMD-светодиодные дисплеи и DIP-светодиодные дисплеи.

Подсветка

Как уже упоминалось ранее, светодиоды могут быть чрезвычайно маленькими и интегрированы в различные ЖК-дисплеи в качестве подсветки. Они встречаются в экранах компьютеров, телевизоров, смартфонов и часов, которыми мы пользуемся каждый день.

Автомобильная промышленность

Светодиоды незаменимы во всех автомобильных системах освещения, таких как внешние фары и противотуманные фары, а также внутреннее освещение и лампы для чтения.

Медицинские и промышленные применения

В медицинской сфере светодиоды также могут использоваться в качестве стерилизационных устройств. В настоящее время разработаны УФ-светодиоды, излучающие ультрафиолетовые волны в диапазоне от 254 до 280 нм, которые позволяют точно уничтожать бактерии и вирусы.

Системы сигналов и индикации

Помимо основных категорий, перечисленных выше, светодиоды играют решающую роль в некоторых менее очевидных областях. Например, индикаторные лампы на различных электронных устройствах используют светодиоды разных цветов для индикации рабочего состояния устройства. Кроме того, светофоры, которые мы видим при переходе улицы, также являются примером применения светодиодов.

Распространенные заблуждения о светодиодной продукции

Всегда ли высшая сила лучше?

Более высокая мощность означает более высокое общее энергопотребление. Кроме того, высокая потребляемая мощность приводит к значительному увеличению тепловыделения светодиода. Поэтому более высокая мощность не обязательно лучше; лучше всего поддерживать светодиод в пределах номинального диапазона тока и напряжения.

Чем выше яркость, тем лучше?

Неверно. Повышенная яркость, как правило, сокращает срок службы светодиодов. Кроме того, чрезмерно высокая яркость может легко вызвать световое загрязнение, которое может ухудшить зрение водителей и привести к напряжению глаз.

Являются ли светодиоды, излучающие белый свет, наиболее энергоэффективными?

Неверно. На самом деле, светодиоды наиболее энергоэффективны при излучении ультрафиолетового света. Дисплеи, такие как OLED и Mini LED, позволяют отключать определенные области напрямую, и эти области потребляют практически нулевую энергию.

Светодиоды никогда не выходят из строя?

Неверно. Хотя светодиоды имеют длительный срок службы, все материалы должны подчиняться закону сохранения энергии. Пока мы их используем, они будут изнашиваться, пока не выйдут из строя.

Часто задаваемые вопросы о светодиодах

Почему некоторые светодиоды выходят из строя гораздо раньше, чем положено по сроку службы?

Обычно говорят, что срок службы светодиода составляет от 50 000 до 100 000 часов, но почему некоторые выходят из строя, не достигнув этой отметки? На самом деле это вызвано множеством факторов. Например, использованием некачественных материалов, недостаточным контролем качества или суровыми условиями эксплуатации.

Могут ли светодиоды работать в условиях экстремально высоких или низких температур?

Да, светодиоды работают в диапазоне температур от -20°C до 60°C, чего достаточно для большинства регионов мира. Для экстремальных условий, выходящих за пределы этого диапазона, требуются дополнительные меры, такие как установка вентиляторов или использование теплоизоляционных материалов, чтобы поддерживать рабочую температуру в этом диапазоне.

Все ли светодиодные светильники требуют регулировки яркости?

Не обязательно. Регулировка яркости светодиодов предназначена для адаптации к окружающей среде. Для электронных устройств с фиксированной светоотдачей, таких как индикаторные лампы, регулировка яркости не требуется. Существует множество типов регулировки яркости светодиодов; некоторые специально разработаны для систем освещения, например, регулировка по переднему и заднему фронту, в то время как другие используются как в системах освещения, так и в системах отображения, например, ШИМ-регулировка яркости.

Можно ли отремонтировать светодиод после его повреждения?

Да, светодиоды имеют относительно простую конструкцию, поэтому их можно отремонтировать в случае повреждения. Однако процесс ремонта требует специальных инструментов и точной работы, что для большинства людей может быть непростой задачей.

Почему одни светодиодные изделия стоят дорого, а другие — очень дёшево?

Эта проблема в некоторой степени похожа на упомянутую выше проблему со сроком службы; на цены светодиодов также влияет множество факторов. Например, даже для светодиодов одинакового размера 1,5 мм x 1,5 мм различия в толщине могут привести к значительным колебаниям цены. Кроме того, различия в процессах упаковки и материалах внутренних компонентов могут привести к существенной разнице в цене между светодиодными изделиями, которые кажутся идентичными.

Что произойдет, если светодиод подключить с неправильной полярностью? 

Поскольку светодиоды являются однонаправленными электронными устройствами, неправильное подключение может привести только к двум последствиям: либо светодиод не загорится, либо он мгновенно перегорит.

Краткое содержание

Выше мы представили подробный обзор всех аспектов светодиодов, и мы уверены, что после прочтения вы получили полное представление о них. Светодиоды стали незаменимым компонентом основных технологий в современных системах освещения и отображения. Более того, по мере появления новых областей применения в различных сферах, использование светодиодов будет становиться все более распространенным.