Устройство светодиода и его принцип работы — основные компоненты и функция светодиода

Светодиод — это электронный прибор, который широко используется в различных областях нашей жизни, начиная от освещения и заканчивая электроникой. Он обладает рядом преимуществ перед традиционными источниками света, такими как лампы накаливания или люминесцентные лампы.

Структура светодиода включает в себя несколько основных компонентов. Наиболее важными из них являются полупроводниковый чип, покрытый эпитаксиальным слоем, и электроды, обеспечивающие подачу электрического тока внутри прибора. Полупроводниковый чип состоит из трех слоев: p-слоя с положительным зарядом, n-слоя с отрицательным зарядом и активного слоя, в котором происходит электролюминесценция — сам процесс, отвечающий за излучение света светодиода.

Как же работает светодиод? Основная идея заключается в прохождении электрического тока через полупроводниковый чип. Когда ток протекает через светодиод, положительный заряд в п-слое соединяется с отрицательным зарядом в n-слое, создавая так называемую p-n-переходную область. При взаимодействии электронов и дырок в активном слое происходит электролюминесценция, что приводит к излучению света определенной длины волны. Цвет света, создаваемого светодиодом, зависит от материала, используемого для создания полупроводникового чипа.

Видео:24. Принцип работы светодиода. Электроника для начинающихСкачать

Основные компоненты светодиода:

Светодиод представляет собой полупроводниковый элемент, состоящий из нескольких ключевых компонентов:

Вместе эти компоненты обеспечивают возможность светодиода превращать электрическую энергию в световую энергию.

Эмиттер

В состав эмиттера входит полупроводниковый кристалл, обычно галлиевый, имеющий примеси для изменения его параметров. Обычно используют полупроводники типа III-V, такие как индий-галлиево-фосфид (InGaP) или галлиево-арсенид (GaAs).

Когда к эмиттеру подается электрический ток, полупроводник начинает испускать свет в результате процесса рекомбинации электронов и дырок. При этом электроны, преодолевая запрещенную зону, переходят на энергетически более низкий уровень и излучают фотоны света определенной длины волны.

Чтобы обеспечить эффективное испускание света, эмиттер покрывается специальной оптической системой, которая направляет фотоны в нужном направлении и минимизирует потери света.

База

База светодиода представляет собой непроводящий материал, в основном полупроводниковый кристалл, на котором созданы слои различной проводимости. Эти слои состоят из материалов, обладающих свойствами, необходимыми для работы светодиода.

Внутри базы светодиода находятся два слоя: слой-носитель и слой-пределитель. Слой-носитель обычно выполнен из полупроводника типа «p», который имеет избыток дырок. Слой-пределитель, напротив, выполняется из полупроводника типа «n», который обладает избытком электронов.

Между слоем-носителем и слоем-пределителем присутствует область перехода или граница P-N. В этой области происходит структурный дефект, называемый инжекцией. Этот дефект позволяет свободным электронам и дыркам перемещаться между областями и создавать электрический ток.

Когда на светодиод подается напряжение, носители заряда (электроны и дырки) начинают двигаться через базу к области перехода, где они рекомбинируются и излучают свет. Цвет света, излучаемого светодиодом, зависит от материалов, используемых в базе, и изменяется в зависимости от энергии, которая преобладает в области перехода.

Оболочка

Наиболее распространенными материалами для оболочки являются эпоксидная смола или силикон. Эти материалы обладают хорошей прочностью и устойчивостью к внешним воздействиям, таким как влага или механические нагрузки.

Оболочка обеспечивает защиту внутренних элементов светодиода от повреждений, а также способствует равномерному распределению света. Кроме того, она играет роль оптического элемента, обеспечивая дополнительное фокусирование и направление светового потока.

Оболочка также может иметь различные цвета, что позволяет использовать светодиоды не только для освещения, но и для создания различных декоративных эффектов.

Оболочка светодиода является важным компонентом его конструкции, обеспечивая не только защиту и долговечность, но и влияя на его оптические свойства.

Видео:Производство светодиодов, бины, и прочие процессы изготовления smd led.Скачать

Работа светодиода:

Полупроводниковый материал, как правило, состоит из кристалла галлия и арсенида галлия (GaAs) или алюминия, галлия и индия (AlGaIn), покрытого небольшими примесями, такими как селен, нитрид галлия или Czochralski.

Переход p-n — это граница между полупроводником с избытком электронов (n-область) и полупроводником с избытком «дырок» (p-область). Переход p-n содержит несколько слоев: p — слой, n — слой и активный слой (область, в которой происходит излучение света).

Контакты — это два провода, которые соединяются с активным слоем светодиода для подачи электрического тока. Электрический ток, проходящий через переход p-n, взаимодействует с электронами и дырками в активном слое, вызывая их рекомбинацию и излучение фотонов света.

Когда светодиод подключен к источнику постоянного напряжения или постоянному току, электроны из p-области направляются в n-область через активный слой. Рекомбинация электронов и дырок высвобождает энергию в виде фотонов света. Частота излучаемого света (цвет) определяется шириной запрещенной зоны материала и типом примесей, которые были добавлены в активный слой.

Кроме того, светодиоды имеют двунаправленность, что означает, что они могут пропускать электрический ток при подаче напряжения в обратном направлении, но не производить свет. Этот процесс называется обратным напряжением или обратным током.

Таким образом, светодиоды представляют собой эффективные и экологически чистые источники света, которые находят широкое применение в различных сферах, включая освещение, сигнальные и индикационные системы, дисплеи и многое другое.

Электрический ток и светоизлучение

Светоизлучение светодиода осуществляется за счет электрического тока, протекающего через его структуру. Когда на светодиод подается напряжение, происходит передача электронов из области высокого потенциала (анода) в область низкого потенциала (катода) через полупроводниковый кристалл.

Электроны, двигаясь по полупроводнику, взаимодействуют с атомами и молекулами, передавая им свою энергию. В результате такого взаимодействия происходит испускание фотонов — элементарных частиц света.

Цвет света, испускаемого светодиодом, зависит от материала, используемого для создания полупроводникового кристалла. Различные материалы обеспечивают испускание фотонов разных частот, что приводит к разной окраске света.

Таким образом, электрический ток, протекающий через светодиод, является основным фактором, определяющим его светоизлучение и цветовые характеристики.

Фотонный эффект

При световом воздействии на полупроводниковый материал, из которого состоит светодиод, происходит возбуждение электронов. Фотоны света передают энергию, необходимую, чтобы электроны перешли на более высокий энергетический уровень. Это явление называется фотоионизацией и является одной из основных составляющих фотонного эффекта.

Возбужденные электроны затем спускаются на более низкий энергетический уровень, испуская энергию в виде световых фотонов. Именно этот процесс светоизлучения позволяет светодиоду генерировать свет определенной длины волны.

Свет излучается в результате взаимодействия электронов с электрическим полем, которое образуется внутри светодиода при подаче на него напряжения. При этом светодиод обладает избирательностью по длине волны, то есть способностью излучать свет определенной цветовой характеристики.

Основной материал, используемый в светодиоде, определяет спектр излучаемого света. Например, светодиоды на основе галлиевых соединений генерируют световые фотоны с длиной волны в области видимого спектра.

Изучение свойств фотонного эффекта позволило создать технологию светодиодов, которая нашла широкое применение в различных сферах: от освещения и дисплеев до оптических коммуникаций и медицины. Понимание физических основ светодиодов, включая фотонный эффект, является важной составляющей для дальнейшего развития и совершенствования этой технологии.

Полупроводники и переход p-n

Полупроводники — это материалы, не являющиеся ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами. Они обладают специфическими свойствами электропроводности, которые определяются наличием свободных электронов и дырок в структуре атомов материала.

Переход p-n представляет собой область перехода между двумя разными полупроводниками. p-область содержит избыточные дырки, а n-область — избыточные электроны. При соприкосновении p- и n-областей происходит диффузия носителей заряда через переход, что приводит к образованию области дефицита носителей заряда, называемой «спереди разряженной областью».

Электрическое поле, созданное разницей потенциалов между p- и n-областями, препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда. Когда на переход подается напряжение в прямом направлении (обратное направление препятствует потоку носителей), электрическое поле слабеет, и носители заряда начинают свободно двигаться. В результате электроны поглощают дырки в области разряженности, что приводит к излучению света, характерного для светодиода.

Таким образом, переход p-n в светодиоде играет решающую роль в преобразовании электрической энергии в световую энергию. Правильное проектирование и оптимизация перехода позволяют создавать светодиоды с различными характеристиками — от разноцветных до высокоэффективных и долговечных.

Видео:Устройство светодиодаСкачать

Типы светодиодов:

Существует несколько типов светодиодов, каждый из которых имеет свои особенности и применение.

1. Одноцветные светодиоды:

Этот тип светодиодов излучает свет только одного цвета, который зависит от материала, из которого изготовлен полупроводник. Одноцветные светодиоды могут быть красными, зелеными, синими и другими. Они широко используются в индикаторах, рекламных вывесках, подсветке и даже на автомобилях.

2. Многоцветные светодиоды:

Эти светодиоды могут излучать свет разных цветов. Они состоят из нескольких одноцветных светодиодов, расположенных рядом друг с другом. Многоцветные светодиоды могут менять цвет в зависимости от поданного на них напряжения.

3. Инфракрасные светодиоды:

Инфракрасные светодиоды излучают инфракрасное (невидимое для глаз) излучение. Они используются, например, в системах дистанционного управления или в ночных видеокамерах.

4. УФ-светодиоды:

УФ-светодиоды излучают ультрафиолетовое излучение. Они используются в медицинской и научной аппаратуре, а также в промышленности.

5. RGB светодиоды:

Этот тип светодиодов состоит из трех отдельных светодиодов (красный, зеленый и синий), которые совместно создают широкий спектр оттенков. RGB светодиоды позволяют создавать разноцветные эффекты и используются в освещении, декорации и развлекательных устройствах.

6. Другие специализированные светодиоды:

Кроме вышеперечисленных типов, существует множество других специализированных светодиодов, предназначенных для конкретных задач. Например, существуют светодиоды с улучшенной яркостью или светодиоды, способные работать в экстремальных условиях.

Светодиоды предоставляют широкий выбор типов, позволяющий подобрать светодиод, наиболее подходящий для определенной задачи или проекта.

Пассивные светодиоды

Основной принцип работы пассивных светодиодов основан на явлении электролюминесценции. Когда электрический ток протекает через светодиод, он приводит к рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. В результате этого процесса высвобождается энергия в виде фотонов, которые создают свет.

Цвет свечения пассивных светодиодов определяется типом примесей, добавленных в полупроводник. Например, добавление трехатомного атома азота может придать светодиоду красный цвет свечения, а добавление атомов свинца – желтый.

Важной особенностью пассивных светодиодов является возможность регулировки яркости свечения путем изменения протекающего через них тока или напряжения. Это позволяет использовать светодиоды для различных целей – от подсветки кнопок на электронных устройствах до создания уникальных эффектов освещения в архитектуре и дизайне.

Активные светодиоды

Активные светодиоды представляют собой особый тип светодиода, способный генерировать свет самостоятельно без внешнего источника света. Они отличаются от пассивных светодиодов, которые только преобразуют электрическую энергию в световую.

Основной элемент активного светодиода — полупроводниковый кристалл. При подаче электрического тока на светодиод, в кристалле происходит рекомбинация электронов и дырок, что приводит к излучению фотонов света. Цвет излучаемого света определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и используемыми примесями.

Активные светодиоды широко применяются в различных устройствах, включая светодиодные индикаторы, светоизлучающие диоды (LED) и высокомощные светодиоды. Благодаря низкому энергопотреблению, долгому сроку службы и возможности контролировать цвет излучаемого света, активные светодиоды стали основным источником света в электронике и освещении.

Видео:Устройство светодиодной лампы.Скачать

Показатели светодиода:

Световая интенсивность — это мощность светового потока, излучаемого светодиодом в определенном направлении. Измеряется в канделах (кд). Чем больше световая интенсивность, тем сильнее будет виден свет от светодиода в определенном направлении.

Цветовая температура — это характеристика цвета света, излучаемого светодиодом. Измеряется в градусах Кельвина (К). Чем ниже значение цветовой температуры, тем теплее (более желтый) будет цвет света от светодиода. Чем выше значение цветовой температуры, тем холоднее (более голубой) будет цвет света от светодиода.

Цветовая отдача — это показатель, определяющий способность светодиода воспроизводить цвета с точностью, сравнимой с натуральным освещением. Обозначается как CRI (Color Rendering Index). Чем выше значение CRI, тем точнее воспроизводятся цвета светящихся предметов под светодиодным освещением.

📸 Видео

Устройство светодиодной лампы. Как работает лампа? Схема светодиодной лампы.Скачать

Из чего это сделано. Светодиод изнутриСкачать

Светодиоды - принцип работы, типы, преимущества и недостатки [© Игорь Шурар 2015]Скачать

Что такое диод? Принцип работы в анимации. #диод #электроника #диодныймостСкачать

Для чего резистор устанавливают параллельно светодиодуСкачать

Подробное описание работы простой схемы светодиодного драйвера с дросселем на примере BP2688A ШИМаСкачать

Принцип работы диодаСкачать

До СВЕТОДИОДА от ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ. Эволюция электрических источников света.Скачать

Как устроен RGB светодиод!Скачать

ВЫ думаете что это СВЕТОДИОД? А вот и нет.В этом корпусе могут быть ЧЕТЫРЕ разных устройстваСкачать

Как устроена и работает простая схема светодиодного светильника (230V, 27W) с драйвером на дросселеСкачать

ЗАЧЕМ светодиоду драйвер ИЛИ почему светодиод не лампочка? Что такое питание током?Скачать

❓В чём разница между LED-драйвером и блоком питанияСкачать

II. Четыре типа драйверов светодиодных ламп E27. Всё что нужно знать о драйвере для ремонта лампы.Скачать

Как правильно подключить любой светодиод? Питание, формула расчёта для светодиодов.Скачать

КАК УЗНАТЬ ПАРАМЕТРЫ ЛЮБОГО СВЕТОДИОДАСкачать