Светодиод (LED) - работа, строительство и символ - Диод

1. Что такое свет? Прежде чем углубляться в работу светодиодов, давайте сначала кратко рассмотрим самосвет....
2. Слои светодиодов
3. P-тип полупроводника
4. Полупроводник N-типа
5. Слой истощения или область
6. Как работает светодиод (LED)?
7. Как светодиод излучает свет?
8. Символ светодиода (LED)
9. Светодиодная конструкция
10. Смещение LED
11. Выходные характеристики светодиодов
12. Видимые светодиоды и невидимые светодиоды
13. От чего зависит цвет светодиода?
14. Преимущества светодиодов
15. Типы диодов

Что такое свет?

Прежде чем углубляться в работу светодиодов, давайте сначала кратко рассмотрим самосвет. С древних времен человек получал свет из различных источников, таких как солнечные лучи, свечи и лампы.

В 1879 году Томас Эдисон изобрел лампу накаливания. В лампочке электрический ток пропускается через нить внутри колбы.

Когда через нить проходит достаточный ток, он нагревается и излучает свет. Свет, излучаемый нитью накала, является результатом преобразования электрической энергии в тепловую энергию, которая в свою очередь превращается в световую энергию.

В отличие от электрической лампочки, в которой электрическая энергия сначала преобразуется в тепловую энергию, электрическая энергия также может быть непосредственно преобразована в световую энергию.

В светоизлучающих диодах (светодиодах) электрическая энергия, проходящая через него, напрямую преобразуется в энергию света.

Свет это тип энергия который может быть выпущен атом , Свет состоит из множества мелких частиц, называемых фотонами. Фотоны имеют энергию и импульс, но не имеют массы.

Атомы являются основными строительными блоками материи. Каждый объект во вселенной состоит из атомов. Атомы состоят из мелких частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны.

Электроны заряжены отрицательно, протоны заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда.

Сила притяжения между протонами и нейтронами заставляет их слипаться, образуя ядро. Нейтроны не заряжены. Следовательно, общий заряд ядра положительный.

Отрицательно заряженные электроны всегда вращаются вокруг положительно заряженного ядра из-за электростатической силы притяжения между ними. Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам или оболочкам. У каждой орбиты свой уровень энергии.

Например, электроны, вращающиеся очень близко к ядру, имеют низкую энергию, в то время как электроны, вращающиеся дальше от ядра, имеют высокую энергию.

Электроны на более низком энергетическом уровне нуждаются в дополнительной энергии, чтобы прыгнуть на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия может быть подана внешним источником. Когда электроны, вращающиеся вокруг ядра, получают энергию от внешнего источника, они переходят на более высокую орбиту или более высокий энергетический уровень.

Электроны на более высоком энергетическом уровне не будут оставаться в течение длительного периода. Через короткий промежуток времени электроны возвращаются на более низкий энергетический уровень. Электроны, которые прыгают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, высвобождают энергию в форме фотона или света. В некоторых материалах эта потеря энергии выделяется в основном в виде тепла. Электрон, который теряет большую энергию, высвобождает большую энергию фотона.

Что такое светодиод (LED)?

Светодиоды (светодиоды) являются наиболее широко используемыми полупроводниковые диоды среди всех различных типов полупроводниковых диодов, доступных сегодня. Светодиоды излучают либо видимый свет или невидимый Инфракрасный свет когда вперед смещен. Светодиоды, излучающие невидимый инфракрасный свет, используются для дистанционного управления.

Светоизлучающий диод (LED) - это оптическое полупроводниковое устройство, которое излучает свет, когда вольтаж применены. Другими словами, светодиод - это оптическое полупроводниковое устройство, которое преобразует электрическую энергию в энергию света.

Когда светоизлучающий диод (СИД) смещен вперед, свободные электроны в зоне проводимости рекомбинирует с отверстия в валентной зоне и выделяет энергию в виде света.

Процесс излучения света в ответ на сильные электрическое поле или поток электрического тока называется электролюминесценцией.

Нормальный pn переходной диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Он допускает электрический ток при прямом смещении и не допускает электрический ток при обратном смещении. Таким образом, обычный диод с pn переходом работает только в режиме прямого смещения.

Как и обычные диоды pn-перехода, светодиоды также работают только в режиме прямого смещения. Для создания светодиода материал n-типа должен быть подключен к отрицательной клемме батареи, а материал p-типа должен быть подключен к положительной клемме батареи. Другими словами, материал n-типа должен быть отрицательно заряжен, а материал p-типа должен быть положительно заряжен.

Конструкция светодиода аналогична обычному диоду с pn-переходом, за исключением того, что вместо материалов из кремния или германия используются материалы из галлия, фосфора и мышьяка.

В обычных диодах с pn-переходом кремний используется наиболее широко, поскольку он менее чувствителен к температуре. Кроме того, это позволяет электрический ток эффективно без каких-либо повреждений. В некоторых случаях германий используется для построения диодов.

Однако кремниевые или германиевые диоды не излучают энергию в виде света. Вместо этого они излучают энергию в форме тепла. Таким образом, кремний или германий не используются для построения светодиодов.

Слои светодиодов

Светодиод (LED) состоит из трех слоев: полупроводник p-типа , полупроводник n-типа и истощение слоя. Полупроводник p-типа и полупроводник n-типа разделены область истощения или слой истощения.

P-тип полупроводника

Когда трехвалентные примеси добавляются к собственному или чистому полупроводнику, образуется полупроводник p-типа.

В полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями заряда, а свободные электроны - миноритарными носителями заряда. Таким образом, дырки переносят большую часть электрического тока в полупроводнике p-типа.

Полупроводник N-типа

Когда пятивалентные примеси добавляются к собственному полупроводнику, образуется полупроводник n-типа.

В полупроводнике n-типа свободные электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда. Таким образом, свободные электроны несут большую часть электрического тока в полупроводнике n-типа.

Слой истощения или область

Область обеднения - это область, присутствующая между полупроводником p-типа и n-типа, в которой отсутствуют подвижные носители заряда (свободные электроны и дырки). Эта область действует как барьер для электрического тока. Он противостоит потоку электронов из полупроводника n-типа и потоку дырок из полупроводника p-типа.

Чтобы преодолеть барьер обедненного слоя, нам нужно приложить напряжение, которое больше, чем барьерный потенциал обедненного слоя.

Если приложенное напряжение больше, чем барьерный потенциал обедненного слоя, электрический ток начинает течь.

Как работает светодиод (LED)?

Светоизлучающий диод (LED) работает только в режиме прямого смещения. Когда светоизлучающий диод (СИД) смещен вперед, свободные электроны с n-стороны и отверстия с p-стороны выталкиваются в сторону соединения.

Когда свободные электроны достигают области соединения или обеднения, некоторые из свободных электронов рекомбинируют с дырками в положительных ионах. Мы знаем, что положительные ионы имеют меньшее количество электронов, чем протоны. Поэтому они готовы принимать электроны. Таким образом, свободные электроны рекомбинируют с дырками в области обеднения. Аналогичным образом дырки с p-стороны рекомбинируют с электронами в области обеднения.

Из-за рекомбинации свободных электронов и дырок в области обеднения, ширина области истощения уменьшается. В результате больше носителей заряда будет пересекать pn junction ,

Некоторые из носителей заряда с p-стороны и n-стороны будут пересекать pn-переход, прежде чем они рекомбинируют в области обеднения. Например, некоторые свободные электроны из полупроводника n-типа пересекают pn-переход и рекомбинируют с дырками в полупроводнике p-типа. Аналогичным образом дырки из полупроводника p-типа пересекают pn-переход и рекомбинируют со свободными электронами в полупроводнике n-типа.

Таким образом, рекомбинация происходит в области обеднения, а также в полупроводнике p-типа и n-типа.

Свободные электроны в зоне проводимости высвобождают энергию в виде света, прежде чем они рекомбинируют с дырками в валентной зоне.

В кремниевых и германиевых диодах большая часть энергии выделяется в виде тепла, а излучаемый свет слишком мал.

Однако в таких материалах, как арсенид галлия и фосфид галлия, испускаемые фотоны имеют достаточную энергию для получения интенсивного видимого света.

Как светодиод излучает свет?

Когда внешнее напряжение подается на валентные электроны они получают достаточную энергию и разрушают связь с родительским атомом. Валентные электроны, которые разрушают связь с родительским атомом, называются свободными электронами.

Когда валентный электрон покидает родительский атом, они оставляют пустое пространство в валентной оболочке, при котором валентный электрон уходит. Это пустое пространство в валентной оболочке называется дыркой.

Уровень энергии всех валентных электронов практически одинаков. Группировка диапазона энергетических уровней всех валентных электронов называется валентной зоной.

Аналогичным образом, уровень энергии всех свободных электронов практически одинаков. Группировка диапазона уровней энергии всех свободных электронов называется зоной проводимости.

Уровень энергии свободных электронов в зоне проводимости является высоким по сравнению с уровнем энергии валентных электронов или дырок в валентной зоне. Следовательно, свободные электроны в зоне проводимости должны терять энергию, чтобы рекомбинировать с дырками в валентной зоне.

Свободные электроны в зоне проводимости не остаются в течение длительного периода. Через короткий период свободные электроны теряют энергию в виде света и рекомбинируют с дырками в валентной зоне. Каждая рекомбинация носителя заряда будет излучать некоторую световую энергию.

Потеря энергии свободных электронов или интенсивность испускаемого света зависит от запрещенной щели или запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной.

Полупроводниковое устройство с большим запрещенным зазором излучает свет высокой интенсивности, тогда как полупроводниковое устройство с небольшим запрещенным зазором излучает свет низкой интенсивности.

Другими словами, яркость испускаемого света зависит от материала, используемого для построения светодиода, и прямого тока, протекающего через светодиод.

В нормальных кремниевых диодах энергетическая щель между зоной проводимости и валентной зоной меньше. Следовательно, электроны падают только на короткое расстояние. В результате выделяются фотоны низкой энергии. Эти фотоны низкой энергии имеют низкую частоту, которая невидима для человеческого глаза.

В светодиодах энергетическая щель между зоной проводимости и валентной зоной очень велика, поэтому свободные электроны в светодиодах имеют большую энергию, чем свободные электроны в кремниевых диодах. Следовательно, свободные электроны падают на большое расстояние. В результате высвобождаются фотоны высокой энергии. Эти фотоны высокой энергии имеют высокую частоту, которая видна человеческому глазу.

Эффективность генерации света в светодиодах увеличивается с увеличением вводимого тока и с понижением температуры.

В светоизлучающих диодах свет создается благодаря процессу рекомбинации. Рекомбинация носителей заряда происходит только при условии прямого смещения. Следовательно, светодиоды работают только в состоянии прямого смещения.

Когда светоизлучающий диод смещен в обратном направлении, свободные электроны (основные носители) с n-стороны и дырки (основные носители) с p-стороны удаляются от соединения. В результате ширина области обеднения увеличивается, и никакой рекомбинации носителей заряда не происходит. Таким образом, свет не производится.

Если напряжение обратного смещения, приложенное к светодиоду, сильно увеличено, устройство также может быть повреждено.

Все диоды излучают фотоны или свет, но не все диоды излучают видимый свет. Материал в светодиоде выбирается таким образом, чтобы длина волны высвобождаемых фотонов попадала в видимую часть светового спектра.

Светодиоды могут включаться и выключаться с очень высокой скоростью 1 нс.

Символ светодиода (LED)

Символ светодиода аналогичен обычному диоду pn-перехода, за исключением того, что он содержит стрелки, указывающие в сторону от диода, указывающие на то, что свет излучается диодом.

Светодиоды доступны в разных цветах. Наиболее распространенными цветами светодиодов являются оранжевый, желтый, зеленый и красный.

Схематический символ светодиода не отображает цвет света. Условное обозначение одинаково для всех цветов светодиодов. Следовательно, невозможно определить цвет светодиода, увидев его символ.

Светодиодная конструкция

Один из методов, используемых для создания светодиодов, заключается в нанесении трех полупроводниковых слоев на подложку. Три полупроводниковых слоя, нанесенных на подложку, представляют собой полупроводник n-типа, полупроводник p-типа и активную область. Активная область присутствует между полупроводниковыми слоями n-типа и p-типа.

Когда светодиод смещен вперед, свободные электроны из полупроводника n-типа и дырки из полупроводника p-типа выталкиваются к активной области.

Когда свободные электроны с n-стороны и дырки с p-стороны рекомбинируют с противоположными носителями заряда (свободные электроны с дырками или отверстиями со свободными электронами) в активной области, излучается невидимый или видимый свет.

В светодиоде большинство носителей заряда рекомбинируют в активной области. Поэтому большая часть света излучается активной областью. Активная область также называется областью истощения.

Смещение LED

Безопасное номинальное напряжение прямого тока большинства светодиодов составляет от 1 В до 3 В, а номинальное значение прямого тока - от 200 мА до 100 мА.

Если напряжение, подаваемое на светодиод, находится в диапазоне от 1 до 3 В, светодиод работает отлично, поскольку ток для приложенного напряжения находится в рабочем диапазоне. Однако, если напряжение, подаваемое на светодиод, увеличивается до значения, превышающего 3 вольт. Область истощения в светодиоде разрушается, и электрический ток внезапно возрастает. Этот внезапный рост тока может разрушить устройство.

Чтобы избежать этого, нам нужно разместить резистор (Rs) последовательно со светодиодом. Резистор (Rs) должен быть расположен между источником напряжения (Vs) и светодиодом.

Резистор, расположенный между светодиодом и источником напряжения, называется токоограничивающим резистором. Этот резистор ограничивает дополнительный ток, который может разрушить светодиод. Таким образом, токоограничивающий резистор защищает светодиод от повреждений.

Ток, протекающий через светодиод, математически записывается как

Куда,

IF = прямой ток

VS = напряжение источника или напряжение питания

VD = падение напряжения на светодиоде

RS = резистор или токоограничивающий резистор

Падение напряжения - это величина напряжения, затраченного на преодоление барьера в области обеднения (что приводит к протеканию электрического тока).

Падение напряжения на светодиоде составляет от 2 до 3 В, тогда как кремниевый или германиевый диод составляет 0,3 или 0,7 В.

Поэтому для работы светодиода необходимо подавать большее напряжение, чем кремниевые или германиевые диоды.

Светодиоды потребляют больше энергии, чем кремниевые или германиевые диоды.

Выходные характеристики светодиодов

Количество выходного света, излучаемого светодиодом, прямо пропорционально количеству прямого тока, протекающего через светодиод. Чем больше прямой ток, тем больше излучаемый выходной свет. График прямого тока в зависимости от мощности света показан на рисунке.

Видимые светодиоды и невидимые светодиоды

Светодиоды в основном подразделяются на два типа: видимые светодиоды и невидимые светодиоды.

Видимый светодиод - это тип светодиода, который излучает видимый свет. Эти светодиоды в основном используются для отображения или освещения, где светодиоды используются индивидуально без фотодатчиков.

Невидимый светодиод - это тип светодиода, который излучает невидимый свет (инфракрасный свет). Эти светодиоды в основном используются с фотодатчиками, такими как фотодиоды.

От чего зависит цвет светодиода?

Материал, из которого изготовлен светодиод, определяет его цвет. Другими словами, длина волны или цвет излучаемого света зависит от запрещенной щели или энергетической щели материала.

Различные материалы излучают разные цвета света.

Арсенид-галлиевые светодиоды излучают красный и инфракрасный свет.

Светодиоды из нитрида галлия излучают яркий синий свет.

Алюминиевые иттриевые гранатовые светодиоды излучают белый свет.

Светодиоды фосфида галлия излучают красный, желтый и зеленый свет.

Алюминиевые светодиоды из нитрида галлия излучают ультрафиолетовый свет.

Алюминиевые светодиоды с фосфидами галлия излучают зеленый свет.

Преимущества светодиодов

1. Яркость света, излучаемого светодиодом, зависит от тока, протекающего через светодиод. Следовательно, яркость светодиодов можно легко контролировать, изменяя ток. Это позволяет эксплуатировать светодиодные дисплеи в различных условиях освещения.
2. Светодиоды потребляют мало энергии.
3. Светодиоды очень дешевые и легко доступны.
4. Светодиоды имеют малый вес.
5. Меньший размер.
6. Светодиоды имеют более длительный срок службы.
7. Светодиоды работают очень быстро. Их можно включать и выключать за очень короткое время.
8. Светодиоды не содержат токсичного материала, такого как ртуть, который используется в люминесцентных лампах.
9. Светодиоды могут излучать разные цвета света.

Недостатки светодиодов

1. Для работы светодиодов требуется больше энергии, чем для обычных диодов с pn-переходом.
2. Световая эффективность светодиодов низкая.

Применение светодиодов

Различные применения светодиодов заключаются в следующем

1. Системы охранной сигнализации
2. Калькуляторы
3. Картинные телефоны
4. Сигналы светофора
5. Цифровые компьютеры
6. Мультиметры
7. Микропроцессоры
8. Цифровые часы
9. Автомобильные тепловые лампы
10. Камера мигает
11. Авиационное освещение

Типы диодов

Различные типы диодов следующие:

1. Стабилитрон
2. Лавинный диод
3. фотодиод
4. Светоизлучающий диод
5. Лазерный диод
6. Туннельный диод
7. Диод шоттки
8. Варакторный диод
9. PN-диод