Свет светодиода — свет будущего

Свет играет исключительно важную роль в жизни и производственной деятельности человека. Поэтому постоянно актуальна проблема создания высокоэффективных, дешевых и надежных источников света.

Полупроводниковая электроника до недавнего времени могла решать задачи преобразования электрических сигналов (диоды, транзисторы, тиристоры и т. п.) и оптических сигналов в электрические (фотодиоды, фототранзисторы и т. п.), но в последнее время в результате сильного скачка в развитии электроники была решена задача преобразования электрических сигналов в оптические и созданы новые источники света — полупроводниковые светоизлучающие диоды.

Более 100 лет прошло с момента создания лампы накаливания, получившей чрезвычайно широкое распространение.

Цель моей работы доказать, что свет светодиода — это действительно свет будущего.

Ход работы:

1)рассмотрение принципа действия светодиода и лампы накаливания;

2)сравнение лампы накаливания со светодиодом по ряду характеристик.

Физические основы работы светоизлучающих диодов

Светодиод-это полупроводниковый прибор, преобразующий электрические сигналы в световые.

В настоящее время выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены на следующие группы:

1) в металло-стеклянном корпусе;

2) в конструкции с полимерной герметизацией на основе металло-стеклянной ножки или рамочного держателя

3) бескорпусные диоды.

В основе работы полупроводниковых светоизлучающих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшей из них является инжекция неосновных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо или гетеропереходом. В этой главе будут рассмотрены важнейшие физические явления, на основе которых функционирует светоизлучающий диод и которые необходимо учитывать при конструировании приборов различного назначения.

Явление инжекции неосновных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов (недаром эти приборы часто называют инжекционными источниками света). Вопросы физики протекания инжекционного тока в р—n-переходах рассмотрены в работах Шокли и многих монографиях. В обобщенном виде инжекция носителей р—п-переходом может быть представлена следующим образом:

когда в полупроводнике создается р—n-переход, то носители в его окрестностях распределяются таким образом, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев pи n-типов электроны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n-сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р-стороне.

При подаче на р—n-переход электрического смещения в прямом направлении U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область — дырок. Такое диффузионное введение неосновных носителей называется инжекцией.

Концентрация инжектированных электронов на границе р—n-перехода и р-области n'(хp) определяется выражением

n'(Хр)=np*exp (еU/kT),(1)

где nр—концентрация равновесных электронов в р-области; k—постоянная Больцмана; Т—температура: e—заряд электрона.

Концентрация инжектированных носителей зависит только от равновесной концентрации неосновных носителей заряда и приложенного напряжения. Причем чем больше концентрация — тем ярче свечение.

Поскольку инжектированные носители замещаются с основными носителями соответствующей области, то их концентрация n’р в зависимости от расстояния от р—n-перехода изменяется следующим образом (для электронов в р-области):

n’p=n (xp)exp[-(x-xp)/Ln], (2)

светодиод лампа накаливание светильник где Ln — Диффузионная длина электронов.

Особенность решения вопросов инжекции при сборке светоизлучающих диодов, в которых, как правило, одна из областей p—n-структуры оптически активна, т. е. обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения, заключается в том, что для получения эффективной электролюминесценции вся инжекция неосновных носителей должна направляться в эту активную область, а инжекция в противоположную сторону — подавляться.

Если активна область р-типа, то необходимо, чтобы электронная составляющая диффузионного тока преобладала над дырочной, а интенсивность рекомбинации в области объемного заряда была низка. Коэффициент инжекции п, т. е. отношение электронной компоненты тока In0 к полному прямому току I=In0+Ip0, определяется по формуле

n=LpNd/[LpNd+(Dp/Dn)*LnAa], (3)

где Nd и Na — концентрации доноров и акцепторов в nи робластях.

Следует отметить, что в настоящее время появились светоизлучающие диоды, в которых люминесцируют обе области p—n-перехода, а также область пространственного заряда, и от эффективности излучательной рекомбинации в этих областях зависят важные характеристики: цвет свечения, яркость свечения и т. п.

Вывод света из полупроводника Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р—n-переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь:

1) потери на внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник — воздух под углом, большим критического;

2) поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического;

3) потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях;

4) потери на поглощение излучения в толще полупроводника.

Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника nn и воздуха na доля выходящего излучения определяется значением критического угла пр между направлением светового луча и нормалью к поверхности:

пр= arcsin n-1,

где n=nn/na.

Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла пр равны примерно 16° и 17,7°.

Излучение, падающее на поверхность раздела «полупроводник» — воздух под углом, меньшим критического, выводится из кристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннее отражение. Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то все отраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла. Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения, то свет, отраженный верхней, нижней, а также боковыми гранями кристалла, может повторно (и не один раз) падать на светоизлучающую поверхность частично выводиться из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического.

Применение мезаструктуры в кристалле с низким коэффициентом поглощения генерируемого излучения позволяет повысить эффективность вывода излучения в 2—3 раза. Кванты света, падающие на световыводящую грань под углами <�пр, выходят из образца.

Следует также отметить, что для уменьшения потерь мощности в светодиодах используют анод и катод в виде очень тонкой проволоки. Это позволяет уменьшить зону поглощения излучения p-n перехода.

Физические основы работы лампы накаливания Лампа накаливания была изобретена Эдисон в 1893 г.

Принцип работы лампы накаливания очень прост: на вольфрамовую спираль (нить) накаливания, заключенную в вакуумный баллон, через два электрода подается напряжение. Эта спираль нагревается и от нее излучается желтый свет. Поскольку эта температура очень высока (около 2900° С) для этой цели выбирается именно вольфрам, тугшоплавкий металл, температура плавления которого равна 3200° С.

В том, что излучение света возникает именно из-за высокой температуры, мы можем убедиться с помощью быстрого включения лампы. Как мы видим, лампочка перестает светиться только спустя какое-то время после отключения электрического питания. Это происходит потому, что спираль не сразу, а постепенно передает тепло окружающей себя среде. По мере остывания спирали — яркость свечения уменьшается.

Сравнение Если сравнивать светодиод и лампу накаливания по яркости, мы увидим, что светодиод явно ярче. У светодиода порог яркости составляет 30−50кд/м2, а у ламп всего 10−15кд/м2.

Если сравнить по мощности излучения, увидим 15−25лм/Вт против 10−15лм/Вт.

Если сравнивать по длительности работы — увидим, что у светодиодов она составляет около 100 000часов, а у обычной лампочки всего 10 000.

Цветом свечения светодиода можно управлять изменением входного напряжения, чего нельзя добиться у лампорчки.

Кпд Светоизлучающий диод с полусферической формой кристалла достигает 40%, а у лампочки всего 8−15%.

СВЕТИЛЬНИКИ НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ В этом разделе я хотел бы рассказать о том, что для внедрения светодиодов в нашу бытовую жизнь не нужно «изобретать велосипеда», потому что уже налажен выпуск бытовых приборов со светодиодами, вместо ламп накаливания. Вот их примеры:

СИДБЕЛ-01

Высоконадежный, экономичный светильник на светодиодах белого цвета свечения предназначен для использования в качестве источника света в жилых, общественных и административных зданиях.

основные преимущества светильника на светоизлучающих диодах перед ламповыми светильниками

* высокая надежность;

* увеличенный срок службы;

* малое энергопотребление;

* повышенная механическая прочность.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

§ цвет свечения… белый;

§ Освещённость на расстоянии 1 м. не менее, лк … 100;

§ потребляемая мощность, Вт … 7;

§ диапазон рабочих температур, °С … от -10 до +45;

§ электропитание … 220 В, 50 Гц;

§ длительность непрерывной работы, ч … не менее 100 000;

§ габариты, мм … 375×85×85.

Конструкция светильника выполнена в литом корпусе и отвечает современным требованиям к форме, качеству и удобству обслуживания. Рассеиватель ударопрочного (антивандального) исполнения выполнен из поликарбоната.

СИДБЕЛ-02

Высоконадежный, экономичный светильник на светодиодах белого цвета свечения предназначен для использования в качестве источника света в жилых, общественных и административных зданиях.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

§ Освещённость на L=2,0 м, лк…32;

§ Потребляемая мощность, Вт, не более… 18;

§ Цвет свечения… белый;

§ Диапазон рабочих температур, 0С… от -10 до +45;

§ Электропитание…220 В, 50 Гц;

Длительность непрерывной работы, ч …100 000;

§ габариты: d/h, мм …140/80

Как мы видим — светодиод значительно выигрывает по многим параметрам у ламп накаливания, тем более, что его массовое производство уже налажено.

Заключение

Я провел ряд экспериментов и сравнил светоизлучающий диод с лампой накаливания. Я убедился, что светодиоды удобнее, практичнее, дешевле в использовании и производстве, экономичнее, а также проще в бытовом применении, чем лампы накаливания. Я думаю, что человечество полностью перейдет на полупроводниковые источники света. Этот свет действительно можно считать светом будущего.

1. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды / М.: Энергоатомиздат, 1983. 208 с.

2. Коган Л. М., Гальчина Н. А., Рассохин И. Т., Сощин Н. П., Варешкин М. Г., Юнович А. Э. Спектры излучения осветителей белого свечения и осветители на их основе // Светотехника, 2005. № 1. С. 15 — 17.

3. Афанасьев В. Б., Гальчина Н. А., Коган Л. М., Рассохин И. Т. Светодиодные осветительные и светосигнальные приборы с увеличенным световым потоком // Светотехника, 2004. № 6. С. 52 — 56.

4. Лебедев О. А., Сабинин В. Е., Солк С. В. Полимерная оптика для светоизлучающих диодов // Светотехника. 2001. № 5. С.18−19.

5. Косицкий В. М., Коган Л. М., Рассохин И. Т. Излучающий диод. А.С. СССР, № 803 772, 18.10.1979. 5 с.