Dioda elektroluminescencyjna -Light-emitting diode

Dioda elektroluminescencyjna (LED)
RBG-LED.jpg
Niebieskie, zielone i czerwone diody LED w rozproszonych obudowach 5 mm
Zasada działania Elektroluminescencja
Wynaleziony
Pierwsza produkcja  Październik 1962
Konfiguracja pinów  Anoda i katoda
Symbol elektroniczny
IEEE 315-1975 (1993) 8.5.4.2.svg
Części konwencjonalnej diody LED. Płaskie dolne powierzchnie kowadełka i słupka osadzone wewnątrz żywicy epoksydowej działają jak kotwy, zapobiegające siłowemu wyciąganiu przewodów przez naprężenia mechaniczne lub wibracje.
Zbliżenie diody led z napięciem zwiększanym i zmniejszanym, aby pokazać szczegółowy obraz jej działania.
Nowoczesna modernizacja LED ze śrubą E27 w podstawie
Nowoczesna lampa LED retrofit w kształcie żarówki z aluminiowym radiatorem , kopułą rozpraszającą światło i podstawą na śrubę E27 , wykorzystująca wbudowany zasilacz pracujący na napięciu sieciowym

Dioda elektroluminescencyjna ( LED ) to półprzewodnikowe źródło światła , które emituje światło, gdy przepływa przez nie prąd . Elektrony w półprzewodniku rekombinują z dziurami elektronowymi , uwalniając energię w postaci fotonów (pakietów energetycznych). Barwa światła (odpowiadająca energii fotonów) jest określona przez energię potrzebną do przejścia elektronów przez pasmo zabronione półprzewodnika. Białe światło uzyskuje się za pomocą wielu półprzewodników lub warstwy emitującego światło luminoforu na urządzeniu półprzewodnikowym.

Pojawiające się jako praktyczne elementy elektroniczne w 1962 roku, najwcześniejsze diody LED emitowały światło podczerwone (IR) o niskim natężeniu. Diody LED na podczerwień są używane w obwodach zdalnego sterowania , takich jak te stosowane w szerokiej gamie elektroniki użytkowej. Pierwsze diody LED światła widzialnego miały niską intensywność i ograniczały się do koloru czerwonego. Wczesne diody LED były często używane jako lampki kontrolne, zastępujące małe żarówki oraz w wyświetlaczach siedmiosegmentowych . Późniejsze osiągnięcia wyprodukowały diody LED dostępne w zakresie widzialnym , ultrafioletowym (UV) i podczerwieni, o wysokim, niskim lub pośrednim strumieniu świetlnym, na przykład białe diody LED odpowiednie do oświetlenia pomieszczeń i obszarów zewnętrznych. Diody LED dały również początek nowym typom wyświetlaczy i czujników, a ich wysokie szybkości przełączania są przydatne w zaawansowanych technologiach komunikacyjnych o tak różnorodnych zastosowaniach jak oświetlenie lotnicze , bajki , reflektory samochodowe , reklama, oświetlenie ogólne , sygnalizacja świetlna , lampy błyskowe, oświetlenie tapety , lampy do uprawy ogrodniczej i urządzenia medyczne.

Diody LED mają wiele zalet w porównaniu z żarowymi źródłami światła, w tym mniejsze zużycie energii, dłuższą żywotność, lepszą wytrzymałość fizyczną, mniejszy rozmiar i szybsze przełączanie. W zamian za te ogólnie korzystne cechy, wady diod LED obejmują ograniczenia elektryczne niskiego napięcia i ogólnie mocy DC (nie AC), niezdolność do zapewnienia stałego oświetlenia z pulsującego źródła zasilania prądem stałym lub zmiennym oraz mniejszą maksymalną temperaturę pracy i przechowywania temperatura. W przeciwieństwie do diod LED, lampy żarowe mogą działać w sposób samoistny przy praktycznie dowolnym napięciu zasilania, mogą wykorzystywać zamiennie prąd przemienny lub stały i zapewniają stałe oświetlenie, gdy są zasilane prądem przemiennym lub pulsującym prądem stałym, nawet przy częstotliwości tak niskiej jak 50 Hz. Diody LED zwykle potrzebują elektronicznych elementów pomocniczych do działania, podczas gdy żarówka może i zwykle działa bezpośrednio z nieregulowanego źródła prądu stałego lub przemiennego.

Jako przetwornik prądu elektrycznego na światło, diody LED działają odwrotnie niż fotodiody .

Historia

Odkrycia i wczesne urządzenia

Zielona elektroluminescencja z kontaktu punktowego na krysztale SiC odtwarza oryginalny eksperyment Rounda z 1907 roku.

Elektroluminescencja jako zjawisko została odkryta w 1907 roku przez angielskiego eksperymentatora HJ Rounda z Marconi Labs , przy użyciu kryształu węglika krzemu i detektora kociego wąsa . Rosyjski wynalazca Oleg Losev poinformował o stworzeniu pierwszej diody LED w 1927 roku. Jego badania były rozpowszechniane w sowieckich, niemieckich i brytyjskich czasopismach naukowych, ale przez kilka dziesięcioleci nie wykorzystano go w praktyce.

W 1936 Georges Destriau zauważył, że elektroluminescencja może być wytwarzana, gdy proszek siarczku cynku (ZnS) jest zawieszony w izolatorze i przyłożony do niego zmienne pole elektryczne. W swoich publikacjach Destriau często określał luminescencję jako Losev-Light. Destriau pracował w laboratoriach Madame Marie Curie , również wczesnej pionierki w dziedzinie luminescencji w badaniach nad radem .

Węgierska zatoka Zoltán Bay wraz z György Szigeti zapobiegła oświetleniu LED na Węgrzech w 1939 roku, opatentowając urządzenie oświetleniowe oparte na węgliku krzemu, z opcją na węgliku boru, które emitowało biel, żółtawo-białą lub zielonkawą biel w zależności od obecnych zanieczyszczeń.

Kurt Lehovec , Carl Accardo i Edward Jamgochian wyjaśnili te pierwsze diody LED w 1951 roku, używając aparatu wykorzystującego kryształy SiC ze źródłem prądu z baterii lub generatora impulsów oraz w porównaniu z wariantem, czystym kryształem w 1953 roku.

Rubin Braunstein z Radio Corporation of America doniósł o emisji w podczerwieni z arsenku galu (GaAs) i innych stopów półprzewodnikowych w 1955 roku. Braunstein zaobserwował emisję w podczerwieni generowaną przez proste struktury diodowe wykorzystujące antymonek galu (GaSb), GaAs, fosforek indu (InP) i stopy krzemowo-germanowe (SiGe) w temperaturze pokojowej i przy 77  stopniach Kelvina .

W 1957 Braunstein wykazał ponadto, że podstawowe urządzenia mogą być wykorzystywane do komunikacji nieradiowej na niewielką odległość. Jak zauważył Kroemer Braunstein „… ustanowił proste optyczne łącze komunikacyjne: muzyka wydobywająca się z gramofonu była używana przez odpowiednią elektronikę do modulowania prądu przewodzenia diody GaAs. Emitowane światło zostało wykryte przez diodę PbS w pewnej odległości. Ten sygnał był podawany do wzmacniacza audio i odtwarzany przez głośnik. Przechwycenie wiązki zatrzymało muzykę. Świetnie się bawiliśmy bawiąc się tym zestawem”. Ta konfiguracja zapowiadała użycie diod LED do zastosowań komunikacji optycznej .

Dioda LED Texas Instruments SNX-100 GaAs z 1962 r. umieszczona w metalowej obudowie tranzystora TO-18

We wrześniu 1961, pracując w Texas Instruments w Dallas w Teksasie , James R. Biard i Gary Pittman odkryli emisję światła w bliskiej podczerwieni (900 nm) z diody tunelowej , którą zbudowali na podłożu GaAs. Do października 1961 roku zademonstrowali wydajną emisję światła i sprzężenie sygnału między emiterem światła złącza GaAs pn a elektrycznie izolowanym fotodetektorem półprzewodnikowym. 8 sierpnia 1962 r. Biard i Pittman złożyli wniosek patentowy zatytułowany „Semiconductor Radiant Diode” w oparciu o ich odkrycia, w których opisano diodę LED złącza p-n z dyfuzją cynku z rozstawionym stykiem katodowym , aby umożliwić wydajną emisję światła podczerwonego przy spolaryzowaniu do przodu . Po ustaleniu priorytetu ich pracy w oparciu o notatniki inżynierskie sprzed zgłoszeń z GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs i Lincoln Lab w MIT , amerykański urząd patentowy wydał dwóm wynalazcom patent na światło podczerwone GaAs. dioda elektroluminescencyjna (patent US 3293513 ), pierwsza praktyczna dioda LED. Natychmiast po złożeniu patentu firma Texas Instruments (TI) rozpoczęła projekt produkcji diod podczerwieni. W październiku 1962 r. firma TI ogłosiła pierwszy komercyjny produkt LED (SNX-100), w którym zastosowano czysty kryształ GaAs do emisji światła o długości 890 nm. W październiku 1963 r. firma TI zaprezentowała pierwszą komercyjną półkulistą diodę LED, SNX-110.

Pierwsza dioda LED o widmie widzialnym (czerwona) została zademonstrowana przez JW Allena i RJ Cherry pod koniec 1961 roku na targach SERL w Baldock w Wielkiej Brytanii. Praca ta została opisana w Journal of Physics and Chemistry of Solids , tom 23, wydanie 5, maj 1962, strony 509-511. Kolejne wczesne urządzenie zademonstrował Nick Holonyak 9 października 1962, gdy pracował dla General Electric w Syracuse w stanie Nowy Jork . Holonyak i Bevacqua opisali tę diodę LED w czasopiśmie Applied Physics Letters 1 grudnia 1962 r. M. George Craford , były absolwent Holonyak, wynalazł pierwszą żółtą diodę LED i poprawił jasność czerwonych i czerwono-pomarańczowych diod LED o współczynnik dziesięć w 1972 roku. W 1976 roku firma TP Pearsall zaprojektowała pierwsze diody LED o wysokiej jasności i wysokiej wydajności dla telekomunikacji światłowodowej poprzez wynalezienie nowych materiałów półprzewodnikowych specjalnie dostosowanych do długości fal światłowodowych.

Początkowy rozwój komercyjny

Pierwsze komercyjne diody LED o długości fali widzialnej były powszechnie stosowane jako zamienniki lamp żarowych i neonowych oraz w wyświetlaczach siedmiosegmentowych , najpierw w drogim sprzęcie, takim jak sprzęt laboratoryjny i testujący elektronikę, a później w takich urządzeniach jak kalkulatory, telewizory, radia, telefony, a także zegarki (patrz lista zastosowań sygnału ). Do 1968 roku diody LED w zakresie widzialnym i podczerwieni były bardzo drogie, rzędu 200 USD za sztukę, a więc miały niewielkie zastosowanie praktyczne.

Firma Hewlett-Packard (HP) była zaangażowana w badania i rozwój (R&D) nad praktycznymi diodami LED w latach 1962-1968 przez zespół badawczy pod kierownictwem Howarda C. Bordena, Geralda P. Pighini z HP Associates i HP Labs . W tym czasie HP współpracował z firmą Monsanto przy opracowywaniu pierwszych użytecznych produktów LED. Pierwszymi użytecznymi produktami LED były wyświetlacz HP LED i lampka kontrolna LED Monsanto , oba wprowadzone na rynek w 1968 roku. Monsanto było pierwszą organizacją, która masowo produkowała widoczne diody LED, używając GaAsP w 1968 roku do produkcji czerwonych diod LED odpowiednich do wskaźników. Monsanto wcześniej oferowało HP dostarczanie GaAsP, ale HP zdecydowało się rozwijać własne GaAsP. W lutym 1969 roku firma Hewlett-Packard wprowadziła wskaźnik numeryczny HP Model 5082-7000, pierwsze urządzenie LED wykorzystujące technologię układów scalonych (zintegrowany obwód LED ). Był to pierwszy inteligentny wyświetlacz LED i był rewolucją w technologii wyświetlaczy cyfrowych , zastępując rurkę Nixie i stając się podstawą późniejszych wyświetlaczy LED.

W latach siedemdziesiątych firma Fairchild Optoelectronics wyprodukowała komercyjnie udane urządzenia LED za mniej niż pięć centów każde. Urządzenia te wykorzystywały złożone chipy półprzewodnikowe wytworzone w procesie planarnym (opracowane przez Jean Hoerni , ). Połączenie płaskiego przetwarzania do produkcji chipów i innowacyjnych metod pakowania umożliwiło zespołowi Fairchild, kierowanemu przez pioniera optoelektroniki Thomasa Brandta, osiągnięcie niezbędnych redukcji kosztów. Producenci LED nadal stosują te metody.

Wyświetlacz LED kalkulatora naukowego TI-30 (ok. 1978), w którym zastosowano plastikowe soczewki w celu zwiększenia widocznej wielkości cyfr
Osiem małych prostokątnych kropelek, które są cyframi, połączonych cienkimi, podobnymi do włosów przewodami z ścieżkami wzdłuż płytki drukowanej
Zdjęcie rentgenowskie 8-cyfrowego wyświetlacza LED z lat 70.

Wczesne czerwone diody LED były wystarczająco jasne tylko do wykorzystania jako wskaźniki, ponieważ moc światła nie była wystarczająca do oświetlenia obszaru. Odczyty w kalkulatorach były tak małe, że nad każdą cyfrą zabudowano plastikowe soczewki, aby były czytelne. Później inne kolory stały się powszechnie dostępne i pojawiły się w urządzeniach i sprzęcie.

Wczesne diody LED były pakowane w metalowe obudowy podobne do tych z tranzystorów, ze szklanym okienkiem lub soczewką, która przepuszczała światło. Nowoczesne diody sygnalizacyjne są pakowane w przezroczyste plastikowe obudowy o kształcie rurowym lub prostokątnym, często przyciemniane w celu dopasowania do koloru urządzenia. Urządzenia na podczerwień mogą być barwione, aby zablokować światło widzialne. Bardziej złożone pakiety zostały przystosowane do efektywnego odprowadzania ciepła w diodach LED dużej mocy . Diody LED montowane na powierzchni dodatkowo zmniejszają wielkość opakowania. Diody LED przeznaczone do stosowania z kablami światłowodowymi mogą być wyposażone w złącze optyczne.

Niebieska dioda LED

Pierwsza niebiesko-fioletowa dioda LED wykorzystująca azotek galu domieszkowany magnezem została wykonana na Uniwersytecie Stanforda w 1972 roku przez Herb Maruska i Wally Rhines, doktorantów z dziedziny inżynierii materiałowej i inżynierii. W tym czasie Maruska przebywał na urlopie z RCA Laboratories , gdzie współpracował z Jacquesem Pankove przy pracach pokrewnych. W 1971 roku, rok po wyjeździe Maruski do Stanford, jego koledzy z RCA, Pankove i Ed Miller, zademonstrowali pierwszą niebieską elektroluminescencję z azotku galu domieszkowanego cynkiem, chociaż kolejne urządzenie, które zbudowali Pankove i Miller, pierwsza rzeczywista dioda elektroluminescencyjna z azotku galu, wyemitowało zielone światło. W 1974 roku Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych przyznał Marusce, Rhinesowi i profesorowi Stanforda Davidowi Stevensonowi patent na ich pracę w 1972 (patent USA US3819974 A ). Obecnie domieszkowanie magnezem azotku galu pozostaje podstawą wszystkich komercyjnych niebieskich diod LED i diod laserowych . Na początku lat 70. urządzenia te były zbyt ciemne, aby można je było zastosować w praktyce, a badania nad urządzeniami z azotku galu spowolniły.

W sierpniu 1989 firma Cree wprowadziła pierwszą dostępną na rynku niebieską diodę LED opartą na pośrednim półprzewodniku z przerwą wzbronioną, węgliku krzemu (SiC). Diody SiC miały bardzo niską wydajność, nie większą niż około 0,03%, ale emitowały w niebieskiej części widma światła widzialnego.

Pod koniec lat 80. kluczowe przełomy we wzroście epitaksjalnym GaN i domieszkowaniu typu p zapoczątkowały współczesną erę urządzeń optoelektronicznych opartych na GaN . Opierając się na tym fundamencie, Theodore Moustakas z Boston University opatentował w 1991 roku metodę wytwarzania niebieskich diod LED o wysokiej jasności przy użyciu nowego dwuetapowego procesu.

Dwa lata później, w 1993 roku, Shuji Nakamura z Nichia Corporation zademonstrował jasne niebieskie diody LED przy użyciu procesu wzrostu azotku galu. Równolegle Isamu Akasaki i Hiroshi Amano z Uniwersytetu Nagoya pracowali nad opracowaniem ważnego osadzania GaN na podłożach szafirowych i demonstracją domieszkowania GaN typu p. To nowe rozwiązanie zrewolucjonizowało oświetlenie LED, czyniąc źródła światła niebieskiego o dużej mocy praktycznymi, prowadząc do rozwoju technologii takich jak Blu-ray .

Nakamura otrzymał za swój wynalazek Milenijną Nagrodę Technologiczną 2006. Nakamura, Hiroshi Amano i Isamu Akasaki otrzymali w 2014 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie niebieskiej diody LED. W 2015 roku amerykański sąd orzekł, że trzy firmy naruszyły wcześniejszy patent Moustakasa i nakazał im uiszczenie opłat licencyjnych w wysokości co najmniej 13 mln USD.

W 1995 Alberto Barbieri z Cardiff University Laboratory (GB) zbadał wydajność i niezawodność diod LED o wysokiej jasności i zademonstrował „przezroczysty kontakt” diody LED przy użyciu tlenku indowo-cynowego (ITO) na (AlGaInP/GaAs).

W latach 2001 i 2002 pomyślnie zademonstrowano procesy hodowli diod LED z azotku galu (GaN) na krzemie . W styczniu 2012 roku firma Osram zademonstrowała komercyjnie wysokoenergetyczne diody LED InGaN hodowane na podłożach krzemowych, a diody GaN-on-silicon są produkowane w Plessey Semiconductors . Od 2017 r. niektórzy producenci stosują SiC jako podłoże do produkcji diod LED, ale szafir jest bardziej powszechny, ponieważ ma najbardziej podobne właściwości do azotku galu, co zmniejsza potrzebę tworzenia wzoru na płytce szafirowej (wafle wzorzyste są znane jako epi wafle). Samsung , Uniwersytet Cambridge i Toshiba prowadzą badania nad GaN na diodach Si LED. Toshiba wstrzymała badania, prawdopodobnie z powodu niskich plonów. Niektórzy wybierają epitaksję , która jest trudna dla krzemu , podczas gdy inni, jak University of Cambridge, wybierają strukturę wielowarstwową, aby zredukować niedopasowanie (kryształ) sieci i różne współczynniki rozszerzalności cieplnej, aby uniknąć pękania diody LED chip w wysokich temperaturach (np. podczas produkcji), zmniejszają wytwarzanie ciepła i zwiększają skuteczność świetlną. Nadruk na podłożu szafirowym można wykonać za pomocą litografii nanoimprint .

GaN-on-Si jest trudny, ale pożądany, ponieważ wykorzystuje istniejącą infrastrukturę do produkcji półprzewodników. Pozwala na pakowanie matryc LED na poziomie wafla, co skutkuje wyjątkowo małymi opakowaniami LED.

GaN jest często osadzany za pomocą metaloorganicznej epitaksji z fazy gazowej (MOCVD), a także wykorzystuje się Lift-off .

Białe diody LED i przełom w oświetleniu

Mimo że białe światło można uzyskać za pomocą pojedynczych czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED, powoduje to słabe oddawanie barw, ponieważ emitowane są tylko trzy wąskie pasma długości fal światła. Wkrótce po osiągnięciu wysokowydajnych niebieskich diod LED opracowano pierwszą białą diodę LED . W tym urządzeniu Y
3
Glin
5
O
12
Powłoka :Ce (znana jako luminofor „ YAG ” lub Ce:YAG) domieszkowana cerem , wytwarza żółte światło poprzez fluorescencję . Połączenie tego żółtego z pozostałym niebieskim światłem wydaje się białe dla oka. Użycie różnych luminoforów wytwarza zielone i czerwone światło poprzez fluorescencję. Powstała mieszanka czerwonego, zielonego i niebieskiego jest postrzegana jako światło białe, z lepszym oddawaniem barw w porównaniu z długościami fal z kombinacji niebieskiego luminoforu LED/YAG.

Ilustracja prawa Haitza , pokazująca poprawę w miarę upływu czasu strumienia świetlnego na diodę LED, ze skalą logarytmiczną na osi pionowej

Pierwsze białe diody LED były drogie i nieefektywne. Moc światła następnie wzrosła wykładniczo . Najnowsze badania i rozwój są propagowane przez producentów japońskich, takich jak Panasonic i Nichia , oraz producentów koreańskich i chińskich, takich jak Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol i innych. Ten trend wzrostu produkcji został nazwany prawem Haitza na cześć Rolanda Haitza.

Wzrosła wydajność świetlna i wydajność niebieskich i zbliżonych do ultrafioletu diod LED, a koszt niezawodnych urządzeń spadł. Doprowadziło to do powstania diod LED o stosunkowo dużej mocy światła białego do oświetlenia, które zastępują oświetlenie żarowe i fluorescencyjne.

W 2014 roku zademonstrowano eksperymentalne białe diody LED, które wytwarzają 303 lumenów na wat energii elektrycznej (lm/W); niektóre mogą trwać do 100 000 godzin. Dostępne na rynku diody LED mają wydajność do 223 lm/W od 2018 roku. Poprzedni rekord 135 lm/W został osiągnięty przez Nichię w 2010 roku. są droższe w zakupie, całkowity koszt eksploatacji jest znacznie niższy niż w przypadku żarówek.

Chip LED jest zamknięty w małej, plastikowej, białej formie. Może być kapsułkowany za pomocą żywicy ( na bazie poliuretanu ), silikonu lub żywicy epoksydowej (sproszkowany) luminofor YAG domieszkowany cerem. Po umożliwieniu odparowania rozpuszczalników, diody LED są często testowane i umieszczane na taśmach do sprzętu do umieszczania SMT do wykorzystania w produkcji żarówek LED. Hermetyzacja jest wykonywana po sondowaniu, pokrojeniu w kostkę, przeniesieniu matrycy z wafla do opakowania i połączeniu drutu lub montażu flipchipów, być może przy użyciu tlenku indowo-cynowego , przezroczystego przewodnika elektrycznego. W tym przypadku, druty łączące są przymocowane do folii ITO, która została osadzona w diodach LED. Niektóre żarówki LED typu „zdalny fosfor” wykorzystują pojedynczą plastikową osłonę z luminoforem YAG dla kilku niebieskich diod LED, zamiast stosowania powłok fosforowych na jednoukładowych białych diodach LED.

Temperatura luminoforu podczas pracy i sposób jego nakładania ogranicza rozmiar matrycy LED. Białe diody LED w obudowie na poziomie wafla pozwalają na zastosowanie wyjątkowo małych diod LED.

Fizyka produkcji i emisji światła

W diodzie elektroluminescencyjnej rekombinacja elektronów i dziur elektronowych w półprzewodniku wytwarza światło (podczerwone, widzialne lub UV), w procesie zwanym „ elektroluminescencją ”. Długość fali światła zależy od przerwy energetycznej zastosowanych półprzewodników. Ponieważ materiały te mają wysoki współczynnik załamania światła, do skutecznego emitowania światła wymagane są cechy konstrukcyjne urządzeń, takie jak specjalne powłoki optyczne i kształt matrycy.

W przeciwieństwie do lasera światło emitowane przez diodę LED nie jest ani spójne spektralnie , ani nawet bardzo monochromatyczne . Jego widmo jest na tyle wąskie, że wydaje się ludzkiemu oku jako czysty ( nasycony ) kolor. Również w przeciwieństwie do większości laserów, jego promieniowanie nie jest spójne przestrzennie , więc nie może zbliżyć się do bardzo wysokiej intensywności charakterystycznej dla laserów .

Zabarwienie

Dzięki doborowi różnych materiałów półprzewodnikowych można uzyskać jednokolorowe diody LED, które emitują światło w wąskim paśmie długości fal od bliskiej podczerwieni przez widmo widzialne aż do zakresu ultrafioletowego. Gdy długości fal stają się krótsze, z powodu większego pasma zabronionego tych półprzewodników, napięcie robocze diody LED wzrasta.

Niebieski i ultrafioletowy

Niebieskie diody LED
Wideo zewnętrzne
Herb Maruska oryginalna niebieska dioda LED College of New Jersey Kolekcja Sarnoff.png
ikona wideo „Oryginalna niebieska dioda LED” , Instytut Historii Nauki

Niebieskie diody LED mają aktywny obszar składający się z jednej lub więcej studni kwantowych InGaN umieszczonych pomiędzy grubszymi warstwami GaN, zwanymi warstwami okładzinowymi. Zmieniając względną frakcję In/Ga w studniach kwantowych InGaN, teoretycznie można zmieniać emisję światła od fioletu do bursztynu.

Azotek glinowo-galowy (AlGaN) o różnej frakcji Al/Ga może być użyty do produkcji płaszcza i warstw studni kwantowych dla ultrafioletowych diod LED, ale urządzenia te nie osiągnęły jeszcze poziomu wydajności i dojrzałości technologicznej urządzeń niebiesko-zielonych InGaN/GaN. Jeśli w tym przypadku do utworzenia aktywnych warstw studni kwantowych zostanie użyty niestopowy GaN, urządzenie emituje światło bliskie ultrafioletowi, którego szczytowa długość fali wynosi około 365 nm. Zielone diody LED wytwarzane z systemu InGaN/GaN są znacznie wydajniejsze i jaśniejsze niż zielone diody LED wytwarzane przy użyciu systemów materiałów nieazotkowych, ale praktyczne urządzenia nadal wykazują zbyt niską wydajność do zastosowań o wysokiej jasności.

Dzięki AlGaN i AlGaInN można uzyskać nawet krótsze długości fal. Emitery bliskiego promieniowania UV o długości fali około 360–395 nm są już tanie i często spotykane, na przykład jako zamienniki lamp na światło czarne do kontroli znaków wodnych UV zapobiegających fałszowaniu dokumentów i banknotów oraz do utwardzania promieniowaniem UV . Znacznie droższe diody o krótszych długościach fali są dostępne na rynku dla długości fal do 240 nm. Ponieważ światłoczułość drobnoustrojów w przybliżeniu odpowiada widmu absorpcji DNA , z pikem przy około 260 nm, oczekuje się, że w przyszłych urządzeniach do dezynfekcji i sterylizacji diody UV emitują przy 250-270 nm. Ostatnie badania wykazały, że dostępne na rynku diody LED UVA (365 nm) są już skutecznymi urządzeniami do dezynfekcji i sterylizacji. Długości fal UV-C uzyskano w laboratoriach stosując azotek glinu (210 nm), azotek boru (215 nm) i diament (235 nm).

Biały

Istnieją dwa podstawowe sposoby wytwarzania diod emitujących białe światło. Jednym z nich jest użycie pojedynczych diod LED, które emitują trzy podstawowe kolory — czerwony, zielony i niebieski — a następnie zmieszanie wszystkich kolorów w celu uzyskania białego światła. Drugim jest użycie materiału luminoforowego do konwersji światła monochromatycznego z niebieskiej lub UV LED na światło białe o szerokim spektrum, podobnie jak w przypadku lampy fluorescencyjnej . Żółty luminofor to domieszkowane cerem kryształy YAG zawieszone w opakowaniu lub pokryte diodą LED. Ten luminofor YAG powoduje, że białe diody LED wydają się żółte, gdy są wyłączone, a przestrzeń między kryształami pozwala na przechodzenie trochę niebieskiego światła w diodach LED z częściową konwersją luminoforu. Alternatywnie, białe diody LED mogą wykorzystywać inne luminofory, takie jak fluorokrzemian potasu (PFS) domieszkowany manganem(IV ) lub inne zaprojektowane luminofory. PFS pomaga w generowaniu światła czerwonego i jest używany w połączeniu z konwencjonalnym luminoforem Ce:YAG. W diodach LED z luminoforem PFS część niebieskiego światła przechodzi przez luminofory, luminofor Ce:YAG konwertuje światło niebieskie na światło zielone i czerwone (żółte), a luminofor PFS konwertuje światło niebieskie na światło czerwone. Kolor, widmo emisji lub temperaturę barwową białych diod LED przekonwertowanych na luminofor i innych diod LED przetworzonych na luminofor można kontrolować, zmieniając stężenie kilku luminoforów, które tworzą mieszankę luminoforów używaną w pakiecie LED.

„Biel” wytwarzanego światła jest dopasowany do ludzkiego oka. Z powodu metameryzmu możliwe jest uzyskanie zupełnie innych widm, które wydają się białe. Wygląd obiektów oświetlonych tym światłem może się zmieniać wraz ze zmianą widma. Jest to kwestia oddawania barw, zupełnie oddzielona od temperatury barwowej. Obiekt pomarańczowy lub niebieskozielony może mieć niewłaściwy kolor i być znacznie ciemniejszy, ponieważ dioda LED lub luminofor nie emitują odbijanej długości fali. Diody LED o najlepszym odwzorowaniu kolorów wykorzystują mieszankę luminoforów, co skutkuje mniejszą wydajnością i lepszym oddawaniem kolorów.

Pierwsze białe diody elektroluminescencyjne (LED) zostały wprowadzone do sprzedaży jesienią 1996 roku.

Systemy RGB

Połączone krzywe widmowe dla niebieskich, żółto-zielonych i czerwonych półprzewodnikowych diod LED o wysokiej jasności. Pasmo widmowe FWHM wynosi około 24-27 nm dla wszystkich trzech kolorów.
LED RGB

Mieszanie źródeł czerwonego, zielonego i niebieskiego w celu uzyskania białego światła wymaga obwodów elektronicznych do kontrolowania mieszania kolorów. Ponieważ diody LED mają nieco inne wzorce emisji, balans kolorów może się zmieniać w zależności od kąta widzenia, nawet jeśli źródła RGB znajdują się w jednym opakowaniu, więc diody RGB są rzadko używane do wytwarzania białego oświetlenia. Niemniej jednak metoda ta ma wiele zastosowań ze względu na elastyczność mieszania różnych kolorów iw zasadzie mechanizm ten ma również wyższą wydajność kwantową w wytwarzaniu światła białego.

Istnieje kilka rodzajów wielokolorowych białych diod LED: białe diody di- , tri- i tetrachromatyczne . Kilka kluczowych czynników, które odgrywają rolę w tych różnych metodach, to stabilność koloru, zdolność oddawania barw i skuteczność świetlna. Często wyższa wydajność oznacza niższe oddawanie barw, co stanowi kompromis między skutecznością świetlną a oddawaniem barw. Na przykład dichromatyczne białe diody LED mają najlepszą skuteczność świetlną (120 lm/W), ale najniższą zdolność oddawania barw. Chociaż tetrachromatyczne białe diody LED mają doskonałą zdolność oddawania barw, często mają słabą skuteczność świetlną. Pomiędzy nimi znajdują się trójchromatyczne białe diody LED, charakteryzujące się zarówno dobrą skutecznością świetlną (>70 lm/W), jak i dobrym oddawaniem barw.

Jednym z wyzwań jest opracowanie wydajniejszych zielonych diod LED. Teoretyczne maksimum dla zielonych diod LED wynosi 683 lumenów na wat, ale od 2010 r. niewiele zielonych diod LED przekracza nawet 100 lumenów na wat. Niebieskie i czerwone diody LED zbliżają się do swoich teoretycznych granic.

Wielokolorowe diody LED umożliwiają tworzenie światła o różnych kolorach. Najbardziej dostrzegalne kolory można uzyskać poprzez zmieszanie różnych ilości trzech kolorów podstawowych. Pozwala to na precyzyjną dynamiczną kontrolę koloru. Ich moc emisyjna spada wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury, co powoduje znaczną zmianę stabilności koloru. Takie problemy utrudniają zastosowanie przemysłowe. Wielokolorowe diody LED bez luminoforów nie zapewniają dobrego oddawania barw, ponieważ każda dioda LED jest źródłem wąskopasmowym. Diody LED bez luminoforu, choć są gorszym rozwiązaniem do oświetlenia ogólnego, są najlepszym rozwiązaniem dla wyświetlaczy, zarówno z podświetleniem LCD, jak i bezpośrednimi pikselami opartymi na diodach LED.

Przyciemnianie wielokolorowego źródła LED w celu dopasowania do charakterystyki żarówek jest trudne, ponieważ różnice produkcyjne, wiek i temperatura zmieniają rzeczywistą wartość koloru wyjściowego. Aby naśladować wygląd ściemniających się lamp żarowych, może być wymagany system sprzężenia zwrotnego z czujnikiem koloru, który aktywnie monitoruje i kontroluje kolor.

Diody LED na bazie fosforu

Widmo białej diody LED pokazującej niebieskie światło bezpośrednio emitowane przez diodę na bazie GaN (szczyt przy około 465 nm) i bardziej szerokopasmowe przesunięte Stokesa światło emitowane przez luminofor Ce 3+ :YAG, który emituje około 500–700 nm

Metoda ta polega na powlekaniu diod LED jednego koloru (głównie niebieskich diod LED wykonanych z InGaN ) luminoforami o różnych kolorach w celu uzyskania białego światła; powstałe diody LED są nazywane białymi diodami LED opartymi na fosforze lub przetworzonymi przez luminofor (pcLED). Ułamek niebieskiego światła podlega przesunięciu Stokesa, które przekształca je z krótszych fal na dłuższe. W zależności od oryginalnego koloru diody LED stosowane są różne kolorowe luminofory. Zastosowanie kilku warstw luminoforu o wyraźnych kolorach poszerza emitowane widmo, skutecznie podnosząc współczynnik oddawania barw (CRI).

Diody LED oparte na fosforze mają straty wydajności z powodu utraty ciepła w wyniku zmiany Stokesa, a także innych problemów związanych z luminoforem. Ich skuteczność świetlna w porównaniu ze zwykłymi diodami LED zależy od rozkładu widmowego wynikowego strumienia świetlnego i oryginalnej długości fali samej diody LED. Na przykład skuteczność świetlna typowej białej diody LED opartej na żółtym fosforze YAG wynosi od 3 do 5 razy więcej niż skuteczność świetlna oryginalnej niebieskiej diody LED ze względu na większą czułość ludzkiego oka na kolor żółty niż niebieski (zgodnie z modelem funkcji luminosity ). Ze względu na prostotę produkcji, metoda luminoforowa jest nadal najpopularniejszą metodą wytwarzania białych diod LED o dużej intensywności. Projektowanie i produkcja źródła światła lub oprawy oświetleniowej przy użyciu monochromatycznego emitera z konwersją luminoforu jest prostsze i tańsze niż złożony system RGB , a większość dostępnych obecnie na rynku białych diod LED o wysokiej intensywności jest wytwarzana przy użyciu konwersji światła fosforowego.

Wśród wyzwań stojących przed zwiększeniem wydajności źródeł światła białego opartych na diodach LED jest opracowanie bardziej wydajnych luminoforów. Od 2010 r. najbardziej wydajnym żółtym luminoforem jest nadal luminofor YAG, z mniej niż 10% stratą przesunięcia Stokesa. Straty przypisywane wewnętrznym stratom optycznym z powodu ponownej absorpcji w chipie LED i w samym opakowaniu LED stanowią zwykle kolejne 10% do 30% utraty wydajności. Obecnie, w dziedzinie rozwoju luminoforowych diod LED, wiele wysiłku poświęca się optymalizacji tych urządzeń pod kątem wyższej wydajności świetlnej i wyższych temperatur pracy. Na przykład wydajność można zwiększyć, dostosowując lepszą konstrukcję obudowy lub stosując bardziej odpowiedni rodzaj luminoforu. Proces powlekania konformalnego jest często stosowany w celu rozwiązania problemu różnej grubości luminoforu.

Niektóre białe diody LED oparte na fosforze zawierają niebieskie diody InGaN w żywicy epoksydowej pokrytej fosforem. Alternatywnie, dioda LED może być sparowana ze zdalnym luminoforem, wstępnie uformowanym elementem poliwęglanowym pokrytym materiałem luminoforu. Zdalne luminofory zapewniają bardziej rozproszone światło, co jest pożądane w wielu zastosowaniach. Konstrukcje ze zdalnymi luminoforami są również bardziej odporne na zmiany w widmie emisji LED. Powszechnym żółtym materiałem luminoforu jest granat z domieszką ceru i itru (Ce 3+ :YAG).

Białe diody LED można również wytwarzać przez powlekanie diod LED w zakresie bliskiego ultrafioletu (NUV) mieszanką wysokowydajnych luminoforów na bazie europu , które emitują kolor czerwony i niebieski, a także siarczku cynku domieszkowanego miedzią i aluminium (ZnS:Cu, Al), który emituje kolor zielony . Jest to metoda analogiczna do działania świetlówek . Ta metoda jest mniej wydajna niż niebieskie diody LED z luminoforem YAG:Ce, ponieważ przesunięcie Stokesa jest większe, więc więcej energii jest zamieniane na ciepło, ale daje światło o lepszej charakterystyce spektralnej, co przekłada się na lepsze kolory. Ze względu na wyższą moc promieniowania ultrafioletowych diod LED niż niebieskich, obie metody zapewniają porównywalną jasność. Problem polega na tym, że światło UV może wyciekać z nieprawidłowo działającego źródła światła i powodować szkody dla ludzkich oczu lub skóry.

Inne białe diody LED

Inna metoda wykorzystywana do wytwarzania eksperymentalnych diod LED o białym świetle nie wykorzystywała w ogóle luminoforów i opierała się na homoepitaksjalnie hodowanym selenku cynku (ZnSe) na podłożu ZnSe, które jednocześnie emitowało niebieskie światło ze swojego obszaru aktywnego i żółte światło z podłoża.

Nowy styl płytek składających się z azotku galu na krzemie (GaN-on-Si) jest używany do produkcji białych diod LED przy użyciu 200-milimetrowych płytek krzemowych. Pozwala to uniknąć typowego kosztownego podłoża szafirowego w stosunkowo małych rozmiarach wafla 100 lub 150 mm. Szafirowe urządzenie musi być połączone z lustrzanym kolektorem, aby odbijać światło, które w przeciwnym razie zostałoby zmarnowane. Przewidywano, że od 2020 roku 40% wszystkich diod GaN jest wykonanych z GaN-on-Si. Wytwarzanie dużego materiału szafirowego jest trudne, podczas gdy duży materiał krzemowy jest tańszy i bardziej powszechny. Firmy LED przechodzące z szafiru na krzem powinny być minimalną inwestycją.

Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED)

W organicznej diodzie elektroluminescencyjnej ( OLED ) materiał elektroluminescencyjny tworzący warstwę emisyjną diody jest związkiem organicznym . Materiał organiczny jest przewodzący elektrycznie ze względu na delokalizację elektronów pi spowodowaną sprzężeniem na całej lub części cząsteczki, a zatem materiał działa jako półprzewodnik organiczny . Materiały organiczne mogą być małymi cząsteczkami organicznymi w fazie krystalicznej lub polimerami .

Potencjalne zalety diod OLED obejmują cienkie, tanie wyświetlacze o niskim napięciu zasilania, szerokim kącie widzenia oraz wysokim kontraście i gamie kolorów . Polimerowe diody LED mają dodatkową zaletę w postaci drukowalnych i elastycznych wyświetlaczy. Diody OLED są wykorzystywane do tworzenia wyświetlaczy wizualnych dla przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe, oświetlenie i telewizory.

Rodzaje

Diody LED produkowane są w różnych kształtach i rozmiarach. Kolor plastikowej soczewki jest często taki sam jak rzeczywisty kolor emitowanego światła, ale nie zawsze. Na przykład, fioletowy plastik jest często używany do diod podczerwieni, a większość niebieskich urządzeń ma bezbarwne obudowy. Nowoczesne diody LED o dużej mocy, takie jak te używane do oświetlania i podświetlania, są generalnie spotykane w pakietach do montażu powierzchniowego (SMT) (nie pokazano).

Diody LED produkowane są w różnych opakowaniach do różnych zastosowań. Pojedyncze lub kilka złączy LED może być zapakowanych w jedno miniaturowe urządzenie do wykorzystania jako wskaźnik lub lampka kontrolna. Macierz LED może zawierać obwody sterujące w tym samym pakiecie, który może obejmować prosty rezystor, sterowanie miganiem lub zmianą koloru lub kontroler adresowalny dla urządzeń RGB. Urządzenia emitujące biel o większej mocy zostaną zamontowane na radiatorach i posłużą do oświetlenia. Powszechnie dostępne są wyświetlacze alfanumeryczne w formacie matrycy punktowej lub słupkowej. Specjalne pakiety umożliwiają podłączenie diod LED do światłowodów w celu uzyskania szybkich łączy transmisji danych.

Miniaturowy

Obraz miniaturowych diod LED do montażu powierzchniowego w najpopularniejszych rozmiarach. Mogą być znacznie mniejsze niż tradycyjna  lampa LED typu 5 mm, pokazana w lewym górnym rogu.
Bardzo mała (1,6×1,6×0,35  mm) czerwona, zielona i niebieska miniaturowa obudowa LED do montażu powierzchniowego ze złotymi detalami do łączenia przewodów .

Są to głównie diody LED typu single-die, używane jako wskaźniki i występują w różnych rozmiarach od 2 mm do 8 mm, w pakietach przewlekanych i do montażu powierzchniowego . Typowe wartości znamionowe prądu wahają się od około 1 mA do ponad 20 mA. Wiele matryc LED przymocowanych do elastycznej taśmy podkładowej tworzy taśmę LED .

Typowe kształty opakowań to okrągłe, z wypukłym lub płaskim wierzchołkiem, prostokątne z płaskim wierzchołkiem (stosowane w wyświetlaczach słupkowych) oraz trójkątne lub kwadratowe z płaskim wierzchołkiem. Hermetyzacja może być również przezroczysta lub podbarwiona, aby poprawić kontrast i kąt widzenia. Urządzenia na podczerwień mogą mieć czarny odcień, aby blokować światło widzialne podczas przepuszczania promieniowania podczerwonego.

Diody LED o ultrawysokiej mocy są przeznaczone do oglądania w bezpośrednim świetle słonecznym.

Diody LED 5 V i 12 V to zwykłe miniaturowe diody LED, które mają rezystor szeregowy do bezpośredniego podłączenia do zasilania 5  V lub 12  V.

Wysoka moc

Diody elektroluminescencyjne dużej mocy przymocowane do podstawy LED w kształcie gwiazdy ( Luxeon , Lumileds )

Diody LED o dużej mocy (HP-LED) lub diody LED o dużej mocy (HO-LED) mogą być zasilane prądami od setek mA do ponad ampera, w porównaniu z dziesiątkami mA dla innych diod LED. Niektóre mogą emitować ponad tysiąc lumenów. Osiągnięto gęstość mocy LED do 300 W/cm 2 . Ponieważ przegrzanie jest destrukcyjne, diody HP-LED muszą być zamontowane na radiatorze, aby umożliwić rozpraszanie ciepła. Jeśli ciepło z diody HP-LED nie zostanie usunięte, urządzenie ulegnie awarii w ciągu kilku sekund. Jedna dioda HP-LED może często zastąpić żarówkę w latarce lub być ustawiona w tablicy, aby utworzyć mocną lampę LED .

Niektóre dobrze znane diody HP w tej kategorii to seria Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon i Cree X-lamp. Od września 2009 r. niektóre diody HP-LED produkowane przez Cree przekraczają obecnie 105 lm/W.

Przykładami prawa Haitza — które przewiduje wykładniczy wzrost mocy świetlnej i skuteczności diod LED w czasie — są diody LED serii CREE XP-G, które  w 2009 roku osiągnęły 105 lm/W oraz seria Nichia 19 o typowej skuteczności 140  lm/ W, wydany w 2010 roku.

zasilany prądem zmiennym

Diody LED opracowane przez Seoul Semiconductor mogą działać na zasilaniu AC bez konwertera DC. W każdym półcyklu część diody LED emituje światło, a część jest ciemna, co jest odwracane podczas następnego półcyklu. Skuteczność tego typu HP-LED wynosi zazwyczaj 40  lm/W. Duża liczba elementów LED połączonych szeregowo może być w stanie działać bezpośrednio z napięcia sieciowego. W 2009 roku firma Seoul Semiconductor wypuściła diodę LED wysokiego napięcia prądu stałego o nazwie „Acrich MJT”, która może być zasilana prądem przemiennym za pomocą prostego obwodu sterującego. Niska moc rozpraszania tych diod LED zapewnia im większą elastyczność niż oryginalna konstrukcja LED AC.

Odmiany specyficzne dla aplikacji

Błyskowy

Migające diody LED są używane jako wskaźniki przyciągające uwagę bez konieczności stosowania zewnętrznej elektroniki. Migające diody LED przypominają standardowe diody LED, ale zawierają zintegrowany regulator napięcia i obwód multiwibratora , który powoduje miganie diody LED z typowym okresem jednej sekundy. W diodach LED z soczewkami rozproszonymi obwód ten jest widoczny jako mała czarna kropka. Większość migających diod LED emituje światło jednego koloru, ale bardziej zaawansowane urządzenia mogą migać między wieloma kolorami, a nawet zanikać w sekwencji kolorów za pomocą mieszania kolorów RGB. Migające diody LED SMD w formacie 0805 i innych rozmiarach są dostępne od początku 2019 roku.

Dwubarwny

Dwukolorowe diody LED zawierają dwa różne emitery LED w jednej obudowie. Są dwa ich rodzaje. Jeden typ składa się z dwóch matryc połączonych tymi samymi dwoma wyprowadzeniami antyrównoległymi do siebie. Prąd płynący w jednym kierunku emituje jeden kolor, a prąd w przeciwnym kierunku emituje drugi kolor. Drugi typ składa się z dwóch matryc z oddzielnymi wyprowadzeniami dla obu matryc i drugiego wyprowadzenia dla wspólnej anody lub katody, dzięki czemu można nimi sterować niezależnie. Najpopularniejszą kombinacją dwukolorową jest czerwień/tradycyjna zieleń . Inne obejmują bursztynowy/tradycyjny zielony, czerwony/czysto zielony, czerwony/niebieski i niebieski/czysto zielony.

Trójkolorowy RGB

Trójkolorowe diody LED zawierają trzy różne emitery LED w jednej obudowie. Każdy emiter jest podłączony do osobnego przewodu, dzięki czemu można nimi sterować niezależnie. Układ czteroprzewodowy jest typowy z jednym wspólnym przewodem (anoda lub katoda) i dodatkowym przewodem dla każdego koloru. Inne mają tylko dwa wyprowadzenia (dodatni i ujemny) i mają wbudowany sterownik elektroniczny.

RGB-SMD-LED

Diody LED RGB składają się z jednej czerwonej, jednej zielonej i jednej niebieskiej diody LED. Dzięki niezależnej regulacji każdej z trzech diod LED RGB są w stanie wytwarzać szeroką gamę kolorów. W przeciwieństwie do diod LED o dedykowanych kolorach, nie wytwarzają one czystych długości fal. Moduły mogą nie być zoptymalizowane pod kątem płynnego mieszania kolorów.

Dekoracyjna-wielokolorowa

Diody ozdobno-wielokolorowe zawierają kilka emiterów o różnych kolorach, zasilanych tylko dwoma przewodami wyprowadzeniami. Kolory są przełączane wewnętrznie poprzez zmianę napięcia zasilania.

alfanumeryczne

Złożony obraz matrycy LED 11 × 44 etykietek z nazwiskiem na klapie, wykorzystującej diody LED SMD typu 1608/0603. Góra: Nieco ponad połowa wyświetlacza o wymiarach 21 × 86 mm . Środek: zbliżenie diod LED w świetle otoczenia. Dół: diody LED we własnym czerwonym świetle.

Alfanumeryczne diody LED są dostępne w formacie siedmiosegmentowym , starburstowym i z matrycą punktową . Wyświetlacze siedmiosegmentowe obsługują wszystkie liczby i ograniczony zestaw liter. Wyświetlacze Starburst mogą wyświetlać wszystkie litery. Wyświetlacze z matrycą punktową zwykle używają 5×7 pikseli na znak. Siedmiosegmentowe wyświetlacze LED były szeroko stosowane w latach 70. i 80. XX wieku, ale rosnące wykorzystanie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych , z ich mniejszym zapotrzebowaniem na energię i większą elastycznością wyświetlania, zmniejszyło popularność numerycznych i alfanumerycznych wyświetlaczy LED.

Cyfrowy RGB

Cyfrowe adresowalne diody LED RGB zawierają własną „inteligentną” elektronikę sterującą. Oprócz zasilania i uziemienia zapewniają one połączenia wejścia i wyjścia danych, zegara, a czasem sygnału stroboskopowego. Są one połączone w łańcuch . Dane wysyłane do pierwszej diody LED w łańcuchu mogą sterować jasnością i kolorem każdej diody LED niezależnie od pozostałych. Stosowane są tam, gdzie potrzebne jest połączenie maksymalnej kontroli i minimalnej widocznej elektroniki, takiej jak sznurki na Boże Narodzenie i matryce LED. Niektóre mają nawet częstotliwości odświeżania w zakresie kHz, co pozwala na podstawowe aplikacje wideo. Urządzenia te są znane z numeru części (ws2812 jest powszechny) lub nazwy marki, takiej jak NeoPixel .

Włókno

Żarnik LED składa się z wielu chipów LED połączonych szeregowo na wspólnym podłużnym podłożu, które tworzy cienki pręt przypominający tradycyjny żarnik. Są one wykorzystywane jako niedroga dekoracyjna alternatywa dla tradycyjnych żarówek, które są wycofywane w wielu krajach. Żarniki wykorzystują dość wysokie napięcie, dzięki czemu mogą wydajnie pracować z napięciami sieciowymi. Często prosty prostownik i pojemnościowe ograniczenie prądu są wykorzystywane do stworzenia taniego zamiennika tradycyjnej żarówki bez złożoności niskonapięciowego konwertera wysokoprądowego, którego potrzebują diody LED z pojedynczą matrycą. Zazwyczaj są one pakowane w bańki podobne do lamp, które miały zastąpić, i wypełnione gazem obojętnym pod ciśnieniem nieco niższym niż ciśnienie otoczenia, aby skutecznie usuwać ciepło i zapobiegać korozji.

Macierze chip-on-board

Diody LED do montażu powierzchniowego są często produkowane w układach scalonych (COB), co pozwala na lepsze rozpraszanie ciepła niż w przypadku pojedynczej diody LED o porównywalnej mocy świetlnej. Diody LED mogą być rozmieszczone wokół cylindra i są nazywane „światłami z kolb kukurydzy” z powodu rzędów żółtych diod LED.

Uwagi dotyczące użytkowania

Źródła energii

Prosty obwód LED z rezystorem do ograniczania prądu

Prąd w diodzie LED lub innych diodach rośnie wykładniczo wraz z przyłożonym napięciem (patrz równanie diody Shockley ), więc niewielka zmiana napięcia może spowodować dużą zmianę prądu. Prąd płynący przez diodę LED musi być regulowany przez obwód zewnętrzny, taki jak źródło prądu stałego , aby zapobiec uszkodzeniom. Ponieważ większość popularnych zasilaczy jest (prawie) źródłami napięcia stałego, oprawy LED muszą zawierać konwerter mocy lub przynajmniej rezystor ograniczający prąd. W niektórych zastosowaniach wewnętrzna rezystancja małych baterii jest wystarczająca, aby utrzymać prąd w zakresie znamionowym LED.

Polaryzacja elektryczna

W przeciwieństwie do tradycyjnej żarówki, dioda LED zaświeci się tylko wtedy, gdy napięcie zostanie przyłożone w kierunku do przodu diody. Nie płynie prąd i nie emituje światła, jeśli napięcie jest przyłożone w odwrotnym kierunku. Jeśli napięcie wsteczne przekroczy napięcie przebicia , płynie duży prąd i dioda LED zostanie uszkodzona. Jeśli prąd wsteczny jest wystarczająco ograniczony, aby uniknąć uszkodzenia, dioda LED przewodząca wstecznie jest użyteczną diodą szumową .

Bezpieczeństwo i zdrowie

Niektóre niebieskie diody LED i chłodnobiałe diody LED mogą przekraczać bezpieczne limity tak zwanego zagrożenia światłem niebieskim, jak określono w specyfikacjach dotyczących bezpieczeństwa oczu, takich jak „ANSI/IESNA RP-27.1-05: Zalecana praktyka bezpieczeństwa fotobiologicznego lamp i systemów lamp” . Jedno z badań nie wykazało żadnych dowodów na ryzyko w normalnym użytkowaniu przy oświetleniu domowym, a ostrożność jest potrzebna tylko w określonych sytuacjach zawodowych lub w określonych populacjach. W 2006 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna opublikowała normę IEC 62471 Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych , zastępując stosowanie wczesnych norm laserowych do klasyfikacji źródeł LED.

Chociaż diody LED mają przewagę nad świetlówkami , ponieważ nie zawierają rtęci , mogą zawierać inne niebezpieczne metale, takie jak ołów i arsen .

W 2016 roku Amerykańskie Stowarzyszenie Medyczne (AMA) wydało oświadczenie dotyczące możliwego niekorzystnego wpływu niebieskawego oświetlenia ulicznego na cykl snu i czuwania mieszkańców miast. Krytycy branży twierdzą, że poziomy narażenia nie są wystarczająco wysokie, aby wywołać zauważalny efekt.

Zalety

  • Wydajność: diody LED emitują więcej lumenów na wat niż żarówki żarowe. Na sprawność opraw oświetleniowych LED nie ma wpływu kształt i rozmiar, w przeciwieństwie do świetlówek czy świetlówek.
  • Kolor: diody LED mogą emitować światło o zamierzonej barwie bez użycia filtrów barwnych, jak wymagają tego tradycyjne metody oświetleniowe. Jest to bardziej wydajne i może obniżyć koszty początkowe.
  • Rozmiar: diody LED mogą być bardzo małe (mniejsze niż 2 mm 2 ) i można je łatwo przymocować do płytek drukowanych.
  • Czas włączenia: diody LED zapalają się bardzo szybko. Typowa czerwona dioda LED osiąga pełną jasność w czasie poniżej mikrosekundy . Diody LED stosowane w urządzeniach komunikacyjnych mogą mieć jeszcze szybsze czasy odpowiedzi.
  • Cykliczne: Diody LED są idealne do zastosowań, w których często występują cykle włączania i wyłączania, w przeciwieństwie do żarówek i lamp fluorescencyjnych, które zawodzą szybciej przy częstych cyklach, lub lamp wyładowczych o dużej intensywności (lampy HID), które wymagają długiego czasu przed ponownym uruchomieniem.
  • Ściemnianie: diody LED można bardzo łatwo ściemniać za pomocą modulacji szerokości impulsu lub obniżenia prądu przewodzenia. Ta modulacja szerokości impulsu jest powodem, dla którego światła LED, zwłaszcza reflektory samochodowe, oglądane przez kamerę lub przez niektórych ludzi, wydają się migać lub migotać. Jest to rodzaj efektu stroboskopowego .
  • Chłodne światło: W przeciwieństwie do większości źródeł światła, diody LED emitują bardzo mało ciepła w postaci podczerwieni, co może spowodować uszkodzenie wrażliwych przedmiotów lub tkanin. Zmarnowana energia jest rozpraszana w postaci ciepła przez podstawę diody LED.
  • Powolna awaria: diody LED zawodzą głównie z powodu ściemniania się w czasie, a nie nagłej awarii żarówek.
  • Żywotność: diody LED mogą mieć stosunkowo długą żywotność. Jeden raport szacuje okres użytkowania od 35 000 do 50 000 godzin, chociaż czas do całkowitej awarii może być krótszy lub dłuższy. Lampy fluorescencyjne są zwykle oceniane na około 10 000 do 25 000 godzin, w zależności częściowo od warunków użytkowania, a żarówki żarowe na 1000 do 2000 godzin. Kilka demonstracji DOE pokazało, że niższe koszty konserwacji wynikające z tego wydłużonego okresu użytkowania, a nie oszczędność energii, są głównym czynnikiem określającym okres zwrotu dla produktu LED.
  • Odporność na wstrząsy: diody LED, będące komponentami półprzewodnikowymi, są trudne do uszkodzenia przez wstrząsy zewnętrzne, w przeciwieństwie do żarówek fluorescencyjnych i żarowych, które są kruche.
  • Skupienie: Solidny pakiet diody LED może być zaprojektowany tak, aby skupiał jego światło. Źródła żarowe i fluorescencyjne często wymagają zewnętrznego odbłyśnika, który zbiera światło i kieruje je w użyteczny sposób. W przypadku większych pakietów LED często stosuje się soczewki o całkowitym odbiciu wewnętrznym (TIR) ​​w celu uzyskania tego samego efektu. Gdy potrzebne są duże ilości światła, zwykle stosuje się wiele źródeł światła, które trudno ustawić na tym samym celu lub kolimować .

Niedogodności

  • Zależność od temperatury: wydajność diod LED w dużej mierze zależy od temperatury otoczenia środowiska pracy – lub właściwości zarządzania ciepłem. Przesterowanie diody LED w wysokich temperaturach otoczenia może spowodować przegrzanie pakietu diod LED, co ostatecznie doprowadzi do awarii urządzenia. Do utrzymania długiej żywotności potrzebny jest odpowiedni radiator . Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach motoryzacyjnych, medycznych i wojskowych, gdzie urządzenia muszą działać w szerokim zakresie temperatur i wymagają niskiej awaryjności.
  • Czułość napięciowa: diody LED muszą być zasilane napięciem powyżej ich napięcia progowego i prądem poniżej ich wartości znamionowej. Prąd i żywotność zmieniają się znacznie wraz z niewielką zmianą przyłożonego napięcia. W związku z tym wymagają zasilania regulowanego prądem (zwykle po prostu rezystor szeregowy dla diod wskaźnikowych).
  • Odwzorowanie kolorów: Większość chłodnobiałych diod LED ma widma, które znacznie różnią się od promienników ciała czarnego, takich jak słońce lub światło żarowe. Skok przy 460 nm i spadek przy 500 nm może sprawić, że kolory obiektów będą wyglądały inaczej przy zimnym białym oświetleniu LED niż w świetle słonecznym lub źródłach żarowych . To samo dotyczy zielonych powierzchni. Jakość odwzorowania kolorów diody LED jest mierzona za pomocą wskaźnika oddawania barw (CRI) .
  • Obszarowe źródło światła: Pojedyncze diody LED nie przypominają punktowego źródła światła dając sferyczny rozsył światła, ale raczej rozsył lambertowski . Tak więc diody LED są trudne do zastosowania w zastosowaniach wymagających sferycznego pola światła. Różne pola światła mogą być manipulowane przez zastosowanie różnych optyki lub „soczewek”. Diody LED nie mogą zapewnić rozbieżności poniżej kilku stopni.
  • Zanieczyszczenie światłem : Ponieważ białe diody LED emitują więcej światła o krótkiej długości fali niż źródła takie jak wysokoprężne lampy sodowe , zwiększona czułość widzenia skotopowego na niebiesko i zielonooznacza, że ​​białe diody LED używane w oświetleniu zewnętrznym powodują znacznie więcej blasku nieba .
  • Spadek sprawności : sprawność diod LED spada wraz ze wzrostem prądu elektrycznego . Nagrzewanie wzrasta również przy wyższych prądach, co obniża żywotność diod LED. Efekty te nakładają praktyczne ograniczenia na prąd płynący przez diodę LED w zastosowaniach o dużej mocy.
  • Wpływ na dziką przyrodę: diody LED są znacznie bardziej atrakcyjne dla owadów niż lampy sodowe, do tego stopnia, że ​​pojawiły się spekulacje dotyczące możliwości przerwania sieci pokarmowych . Oświetlenie LED w pobliżu plaż, szczególnie intensywne niebiesko-białe kolory, może zdezorientować młode żółwie i sprawić, że będą wędrować w głąb lądu. Grupy konserwatorskie zachęcają do stosowania diod LED „oświetlenia bezpiecznego dla żółwi”, które emitują tylko w wąskich częściach widma widzialnego w celu zmniejszenia szkód.
  • Stosowanie w warunkach zimowych: Ponieważ nie wydzielają dużo ciepła w porównaniu do lamp żarowych, światła LED używane do kontroli ruchu mogą zasłaniać je śnieg, co prowadzi do wypadków.
  • Niestabilność termiczna: Równoległe ciągi diod LED nie będą dzielić prądu równomiernie ze względu na tolerancje produkcyjne w ich napięciu przewodzenia. Uruchomienie dwóch lub więcej ciągów z jednego źródła prądu może spowodować awarię diod LED podczas nagrzewania się urządzeń. Jeśli binning napięcia przewodzenia nie jest możliwy, wymagany jest obwód zapewniający równomierny rozkład prądu między równoległymi pasmami.

Aplikacje

Zastosowania LED dzielą się na pięć głównych kategorii:

  • Sygnały wizualne, w których światło przechodzi mniej więcej bezpośrednio ze źródła do ludzkiego oka, aby przekazać wiadomość lub znaczenie
  • Oświetlenie , w którym światło odbija się od obiektów, aby dać wizualną reakcję tych obiektów
  • Mierzenie i interakcja z procesami, które nie angażują ludzkiego wzroku
  • Wąskopasmowe czujniki światła, w których diody LED działają w trybie odwróconej polaryzacji i reagują na padające światło zamiast emitować światło
  • Uprawa wewnętrzna, w tym konopie indyjskie.

Wskaźniki i znaki

Niskie zużycie energii , niskie wymagania konserwacyjne i niewielkie rozmiary diod LED doprowadziły do ​​zastosowania jako wskaźniki stanu i wyświetlacze w różnych urządzeniach i instalacjach. Wyświetlacze LED o dużej powierzchni są używane jako wyświetlacze stadionowe, dynamiczne wyświetlacze dekoracyjne i dynamiczne znaki informacyjne na autostradach. Cienkie, lekkie wyświetlacze komunikatów są używane na lotniskach i dworcach kolejowych oraz jako wyświetlacze docelowe dla pociągów, autobusów, tramwajów i promów.

Czerwone i zielone sygnały drogowe LED

Jednokolorowe światło doskonale nadaje się do sygnalizacji świetlnej i sygnalizacji drogowej, znaków wyjścia , oświetlenia pojazdów awaryjnych , świateł nawigacyjnych statków i lampek świątecznych opartych na diodach LED

Ze względu na ich długą żywotność, szybkie czasy przełączania i widoczność w biały dzień dzięki wysokiej mocy i skupieniu, diody LED znalazły zastosowanie w samochodowych światłach hamowania i kierunkowskazach. Zastosowanie w hamulcach poprawia bezpieczeństwo, dzięki znacznemu skróceniu czasu potrzebnego na pełne zaświecenie, czy też szybszemu czasowi narastania, o około 0,1 sekundy szybciej niż żarówka żarowa. Daje to kierowcom więcej czasu na reakcję. W obwodzie o podwójnej intensywności (tylne znaczniki i hamulce), jeśli diody LED nie są pulsowane z wystarczająco dużą częstotliwością, mogą tworzyć matrycę fantomową , w której pojawiają się duchowe obrazy diody LED, jeśli oczy szybko skanują układ. Zaczynają pojawiać się białe reflektory LED. Stosowanie diod LED ma zalety stylistyczne, ponieważ diody LED mogą tworzyć znacznie cieńsze światła niż żarówki z reflektorami parabolicznymi .

Ze względu na względną taniość diod LED o niskiej mocy są one również wykorzystywane w wielu tymczasowych zastosowaniach, takich jak pałeczki żarowe , rzutki i tekstylia fotoniczne Lumalive . Artyści wykorzystali również diody LED do sztuki LED .

Oświetlenie

Wraz z rozwojem diod LED o wysokiej wydajności i dużej mocy stało się możliwe wykorzystanie diod LED w oświetleniu i oświetleniu. Aby zachęcić do przejścia na lampy LED i inne wysokowydajne oświetlenie, w 2008 r. Departament Energii USA stworzył konkurs L Prize . Żarówka LED Philips Lighting North America wygrała pierwszy konkurs 3 sierpnia 2011 r., po pomyślnym ukończeniu 18 miesięcy intensywnych testów terenowych, laboratoryjnych i produktowych.

Dla zrównoważonej architektury potrzebne jest wydajne oświetlenie . Od 2011 r. niektóre żarówki LED zapewniają do 150 lm/W, a nawet niedrogie modele z niższej półki zwykle przekraczają 50 lm/W, dzięki czemu 6-watowa dioda LED może osiągnąć te same wyniki, co standardowa 40-watowa żarówka. Mniejsza moc cieplna diod LED zmniejsza również zapotrzebowanie na systemy klimatyzacyjne . Na całym świecie diody LED są szybko stosowane w celu zastąpienia mniej efektywnych źródeł, takich jak żarówki i świetlówki kompaktowe , oraz zmniejszenia zużycia energii elektrycznej i związanej z nią emisji. Diody LED zasilane energią słoneczną są wykorzystywane jako oświetlenie uliczne oraz w oświetleniu architektonicznym .

Wytrzymałość mechaniczna i długa żywotność są wykorzystywane w oświetleniu samochodowym w samochodach, motocyklach i światłach rowerowych . Oświetlenie uliczne LED znajduje zastosowanie na słupach oraz w garażach. W 2007 roku włoska wioska Torraca była pierwszym miejscem, w którym zamieniono oświetlenie uliczne na diody LED.

Oświetlenie kabiny w ostatnich samolotach Airbusa i Boeinga wykorzystuje oświetlenie LED. Diody LED są również wykorzystywane w oświetleniu lotnisk i heliportów. Oprawy LED lotniskowe obejmują obecnie światła pasa startowego o średniej intensywności, światła osi drogi startowej, światła osi i krawędzi drogi kołowania, znaki naprowadzające i oświetlenie przeszkodowe.

Diody LED są również wykorzystywane jako źródło światła dla projektorów DLP oraz do podświetlania nowszych telewizorów LCD (zwanych telewizorami LED ), monitorów komputerowych (w tym laptopów ) i ekranów LCD urządzeń przenośnych, zastępując starsze ekrany LCD z podświetleniem CCFL , chociaż są zastępowane przez ekrany OLED . Diody RGB podnoszą gamę barw aż o 45%. Ekrany do telewizorów i monitorów komputerowych mogą być cieńsze za pomocą diod LED do podświetlenia.

Diody LED są małe, trwałe i wymagają niewielkiej mocy, dlatego są używane w urządzeniach przenośnych, takich jak latarki . Światła stroboskopowe LED lub lampy błyskowe aparatu działają przy bezpiecznym, niskim napięciu, zamiast ponad 250 woltów, które powszechnie występują w oświetleniu opartym na lampach ksenonowych . Jest to szczególnie przydatne w kamerach w telefonach komórkowych , gdzie przestrzeń jest na wagę złota, a nieporęczne obwody zwiększające napięcie są niepożądane.

Diody LED są używane do oświetlania podczerwienią w zastosowaniach noktowizyjnych , w tym w kamerach bezpieczeństwa . Pierścień diod LED wokół kamery wideo , skierowany do przodu na odblaskowe tło , umożliwia kluczowanie chrominancji w produkcjach wideo .

LED dla górników, aby zwiększyć widoczność w kopalniach
Los Angeles Vincent Thomas Bridge oświetlony niebieskimi diodami LED

Diody LED są używane w operacjach górniczych , jako lampy nasadowe do oświetlania górników. Przeprowadzono badania, aby ulepszyć diody LED dla górnictwa, zmniejszyć odblaski i zwiększyć oświetlenie, zmniejszając ryzyko obrażeń górników.

Diody LED coraz częściej znajdują zastosowanie w zastosowaniach medycznych i edukacyjnych, na przykład jako poprawa nastroju. NASA sponsorowała nawet badania nad wykorzystaniem diod LED do promowania zdrowia astronautów.

Transmisja danych i inna sygnalizacja

Światło może służyć do przesyłania danych i sygnałów analogowych. Na przykład oświetlenie białymi diodami LED może być stosowane w systemach wspomagających poruszanie się w zamkniętych przestrzeniach podczas przeszukiwania potrzebnych pomieszczeń lub obiektów.

Urządzenia wspomagające słyszenie w wielu kinach i podobnych przestrzeniach wykorzystują macierze diod podczerwieni do przesyłania dźwięku do odbiorników słuchaczy. Diody elektroluminescencyjne (a także lasery półprzewodnikowe) są używane do przesyłania danych przez wiele rodzajów kabli światłowodowych , od cyfrowego audio przez kable TOSLINK po łącza światłowodowe o bardzo dużej przepustowości, które tworzą szkielet Internetu. Przez pewien czas komputery były powszechnie wyposażone w interfejsy IrDA , które umożliwiały im wysyłanie i odbieranie danych do pobliskich maszyn przez podczerwień.

Ponieważ diody LED mogą włączać się i wyłączać miliony razy na sekundę, można osiągnąć bardzo wysoką przepustowość danych. Z tego powodu technologia Visible Light Communication (VLC) została zaproponowana jako alternatywa dla coraz bardziej konkurencyjnego pasma radiowego. Działając w widzialnej części widma elektromagnetycznego, dane mogą być przesyłane bez zajmowania częstotliwości komunikacji radiowej.

Główną cechą VLC jest niezdolność światła do przekraczania fizycznych nieprzezroczystych barier. Ta cecha może być uważana za słaby punkt VLC, ze względu na podatność na zakłócenia od obiektów fizycznych, ale jest również jedną z wielu jej mocnych stron: w przeciwieństwie do fal radiowych, fale świetlne są ograniczone w zamkniętych przestrzeniach, w których są transmitowane, co wymusza fizyczne bariera bezpieczeństwa, która wymaga, aby odbiornik tego sygnału miał fizyczny dostęp do miejsca, w którym następuje transmisja.

Obiecujące zastosowanie VLC polega na wewnętrznym systemie pozycjonowania (IPS), analogicznym do GPS zbudowanego do pracy w zamkniętych przestrzeniach, gdzie trudno jest dotrzeć do transmisji satelitarnych, które umożliwiają działanie GPS. Na przykład budynki komercyjne, centra handlowe, garaże, a także metro i systemy tunelowe to wszystkie możliwe zastosowania systemów pozycjonowania wewnętrznego opartych na VLC. Dodatkowo, gdy lampy VLC będą w stanie wykonywać oświetlenie jednocześnie z transmisją danych, mogą po prostu zająć instalację tradycyjnych lamp jednofunkcyjnych.

Inne zastosowania VLC obejmują komunikację między urządzeniami inteligentnego domu lub biura. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń obsługujących IoT łączność za pośrednictwem tradycyjnych fal radiowych może być podatna na zakłócenia. Żarówki z funkcjami VLC mogą przesyłać dane i polecenia dla takich urządzeń.

Systemy wizyjne maszyn

Systemy wizyjne maszyn często wymagają jasnego i jednorodnego oświetlenia, dzięki czemu interesujące cechy są łatwiejsze do przetwarzania. Często używane są diody LED.

Skanery kodów kreskowych są najczęstszym przykładem aplikacji widzenia maszynowego, a wiele z tych skanerów wykorzystuje czerwone diody LED zamiast laserów. Optyczne myszy komputerowe wykorzystują diody LED jako źródło światła dla miniaturowej kamery w myszy.

Diody LED są przydatne do widzenia maszynowego, ponieważ zapewniają kompaktowe, niezawodne źródło światła. Lampy LED można włączać i wyłączać w zależności od potrzeb systemu wizyjnego, a kształt wytwarzanej wiązki można dostosować do wymagań systemu.

Wykrywanie biologiczne

Odkrycie rekombinacji promienistej w stopach azotku glinu i galu (AlGaN) przez Laboratorium Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych (ARL) doprowadziło do opracowania koncepcji diod emitujących światło UV (LED), które zostaną włączone do czujników fluorescencyjnych indukowanych światłem stosowanych do wykrywania czynników biologicznych. W 2004 roku Edgewood Chemical Biological Center (ECBC) zainicjowało starania o stworzenie detektora biologicznego o nazwie TAC-BIO. W programie wykorzystano Semiconductor UV Optical Sources (SUVOS) opracowane przez Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) .

Fluorescencja indukowana promieniowaniem UV jest jedną z najsolidniejszych technik stosowanych do szybkiego wykrywania aerozoli biologicznych w czasie rzeczywistym. Pierwszymi czujnikami UV były lasery, które nie były praktyczne w terenie. Aby temu zaradzić, DARPA zastosowała technologię SUVOS, aby stworzyć tanie, małe, lekkie i energooszczędne urządzenie. Czas reakcji detektora TAC-BIO wynosił minutę od wykrycia czynnika biologicznego. Wykazano również, że czujka może pracować bez nadzoru w pomieszczeniach i na zewnątrz przez wiele tygodni.

Aerozolowane cząsteczki biologiczne będą fluoryzować i rozpraszać światło pod wiązką światła UV. Obserwowana fluorescencja zależy od zastosowanej długości fali i biochemicznych fluoroforów w czynniku biologicznym. Fluorescencja indukowana promieniowaniem UV oferuje szybki, dokładny, wydajny i praktyczny pod względem logistycznym sposób wykrywania czynników biologicznych. Dzieje się tak, ponieważ stosowanie fluorescencji UV jest procesem bez odczynników lub procesem, który nie wymaga dodawania substancji chemicznej do wywołania reakcji, bez materiałów eksploatacyjnych lub nie wytwarza chemicznych produktów ubocznych.

Dodatkowo TAC-BIO może niezawodnie rozróżniać aerozole zagrażające i nie stanowiące zagrożenia. Twierdzono, że jest wystarczająco czuły do ​​wykrywania niskich stężeń, ale nie tak czuły, by powodował fałszywie dodatnie wyniki. Algorytm zliczania cząstek zastosowany w urządzeniu przetwarzał surowe dane na informacje, zliczając impulsy fotonów na jednostkę czasu z detektorów fluorescencyjnych i rozpraszających oraz porównując wartość z ustawionym progiem.

Oryginalny TAC-BIO został wprowadzony w 2010 r., podczas gdy TAC-BIO GEN II drugiej generacji został zaprojektowany w 2015 r., aby być bardziej opłacalnym, ponieważ zastosowano części plastikowe. Jego niewielka, lekka konstrukcja pozwala na montaż w pojazdach, robotach i bezzałogowych statkach powietrznych. Urządzenie drugiej generacji może być również wykorzystywane jako detektor środowiska do monitorowania jakości powietrza w szpitalach, samolotach, a nawet w gospodarstwach domowych w celu wykrywania grzybów i pleśni.

Inne aplikacje

Kostium LED dla wykonawców scenicznych
Tapeta LED autorstwa Meystyle

Światło z diod LED można bardzo szybko modulować, dzięki czemu są one szeroko stosowane w komunikacji światłowodowej i optyce wolnej przestrzeni . Obejmuje to piloty , takie jak do telewizorów, w których często stosuje się diody LED na podczerwień. Optoizolatory wykorzystują diodę LED w połączeniu z fotodiodą lub fototranzystorem , aby zapewnić ścieżkę sygnału z izolacją elektryczną między dwoma obwodami. Jest to szczególnie przydatne w sprzęcie medycznym, gdzie sygnały z obwodu czujnika niskiego napięcia (zazwyczaj zasilanego bateryjnie) w kontakcie z żywym organizmem muszą być elektrycznie odizolowane od wszelkich możliwych awarii elektrycznych w urządzeniu rejestrującym lub monitorującym działającym pod potencjalnie niebezpiecznym napięciem. Optoizolator umożliwia również przesyłanie informacji między obwodami, które nie mają wspólnego potencjału uziemienia.

Wiele systemów czujników wykorzystuje światło jako źródło sygnału. Diody LED są często idealnym źródłem światła ze względu na wymagania czujników. Pasek czujników Nintendo Wii wykorzystuje diody podczerwieni. Pulsoksymetry wykorzystują je do pomiaru saturacji tlenem . Niektóre skanery płaskie wykorzystują jako źródło światła tablice diod LED RGB zamiast typowej lampy fluorescencyjnej z zimną katodą . Posiadanie niezależnej kontroli trzech podświetlonych kolorów pozwala skanerowi na samokalibrację w celu uzyskania dokładniejszego balansu kolorów i nie ma potrzeby rozgrzewania. Co więcej, jego czujniki muszą być tylko monochromatyczne, ponieważ w dowolnym momencie skanowana strona jest oświetlona tylko jednym kolorem światła.

Ponieważ diody LED mogą być również używane jako fotodiody, mogą być używane zarówno do emisji zdjęć, jak i do detekcji. Można to wykorzystać na przykład w ekranie dotykowym , który rejestruje światło odbite od palca lub rysika . Wiele materiałów i systemów biologicznych jest wrażliwych na światło lub od niego zależnych. Lampy do uprawy wykorzystują diody LED do zwiększenia fotosyntezy w roślinach , a bakterie i wirusy można usuwać z wody i innych substancji za pomocą diod UV do sterylizacji .

Diody LED UV, o zakresie widma od 220 nm do 395 nm, mają inne zastosowania, takie jak oczyszczanie wody/powietrza, dezynfekcja powierzchni, utwardzanie kleju, komunikacja non-line-of-sight w wolnej przestrzeni, wysokosprawna chromatografia cieczowa, drukowanie barwnikiem utwardzanym promieniowaniem UV, fototerapia (witamina 295 nm, lampa ekscymerowa 308 nm lub wymiana lasera), oprzyrządowanie medyczne/analityczne i absorpcja DNA.

Diody LED były również używane jako średniej jakości napięcie odniesienia w obwodach elektronicznych. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia (około 1,7 V dla czerwonej diody LED lub 1,2 V dla podczerwieni) można zastosować zamiast diody Zenera w regulatorach niskiego napięcia. Czerwone diody LED mają najbardziej płaską krzywą I/V powyżej kolana. Diody LED na bazie azotków mają dość stromą krzywą I/V i są bezużyteczne do tego celu. Chociaż napięcie przewodzenia diody LED jest znacznie bardziej zależne od prądu niż dioda Zenera, diody Zenera o napięciu przebicia poniżej 3 V nie są powszechnie dostępne.

Postępująca miniaturyzacja niskonapięciowych technologii oświetleniowych, takich jak diody LED i OLED, nadające się do wbudowania w materiały o małej grubości, sprzyja eksperymentom w łączeniu źródeł światła i powierzchni pokrywających ściany wewnętrzne w postaci tapet LED .

Badania i rozwój

Kluczowe wyzwania

Diody LED wymagają zoptymalizowanej wydajności, aby opierać się na ciągłych ulepszeniach, takich jak materiały luminoforowe i kropki kwantowe .

Proces konwersji w dół (metoda, za pomocą której materiały przekształcają bardziej energetyczne fotony na inne, mniej energetyczne kolory) również wymaga poprawy. Na przykład, czerwone luminofory, które są obecnie używane, są wrażliwe termicznie i muszą zostać ulepszone w tym aspekcie, aby nie zmieniały koloru i nie doświadczały spadku wydajności wraz z temperaturą. Czerwone luminofory mogłyby również skorzystać na węższej szerokości spektralnej, aby emitować więcej lumenów i stać się bardziej wydajnym w konwersji fotonów.

Ponadto pozostaje wiele do zrobienia w dziedzinie spadku wydajności prądu, zmiany koloru, niezawodności systemu, dystrybucji światła, ściemniania, zarządzania temperaturą i wydajności zasilania.

Potencjalna technologia

Diody perowskitowe (PLED)

Nowa rodzina diod LED oparta jest na półprzewodnikach zwanych perowskitami . W 2018 r., mniej niż cztery lata po ich odkryciu, zdolność perowskitowych diod LED (PLED) do wytwarzania światła z elektronów już konkurowała ze zdolnościami najlepiej działających diod OLED . Mają potencjał do opłacalności, ponieważ mogą być przetwarzane z roztworu, tania i nieskomplikowana technologicznie metoda, która może pozwolić na wytwarzanie urządzeń opartych na perowskicie o dużych powierzchniach przy niezwykle niskich kosztach. Ich wydajność jest lepsza dzięki wyeliminowaniu strat niepromienistych, czyli eliminowaniu ścieżek rekombinacji , które nie wytwarzają fotonów; lub rozwiązując problem ze sprzężeniem (powszechny w przypadku cienkowarstwowych diod LED) lub równoważąc wstrzykiwanie nośnika ładunku w celu zwiększenia EQE (zewnętrznej wydajności kwantowej). Najnowocześniejsze urządzenia PLED przełamały barierę wydajności, osiągając EQE powyżej 20%.

W 2018 r. Cao i in. i Lin i in. niezależnie opublikowali dwa artykuły na temat rozwoju diod perowskitowych z EQE powyżej 20%, co uczyniło te dwa artykuły kamieniem milowym w rozwoju PLED. Ich urządzenie ma podobną strukturę planarną, tzn. warstwa aktywna (perowskit) jest umieszczona pomiędzy dwiema elektrodami. Aby osiągnąć wysoką EQE, nie tylko ograniczyli niepromienistą rekombinację, ale także wykorzystali własne, nieco inne metody poprawy EQE.

W pracy Cao et al. badacze skupili się na problemie sprzęgania, który polega na tym, że fizyka optyczna cienkowarstwowych diod LED powoduje, że większość światła generowanego przez półprzewodnik zostaje uwięziona w urządzeniu. Aby osiągnąć ten cel, wykazali, że perowskity przetwarzane w roztworze mogą spontanicznie tworzyć płytki kryształów w skali submikrometrowej, które mogą skutecznie wydobywać światło z urządzenia. Te perowskity powstają poprzez wprowadzenie dodatków aminokwasowych do roztworów prekursorów perowskitu. Ponadto ich metoda jest w stanie pasywować defekty powierzchni perowskitu i ograniczać rekombinację niepromienistą. W związku z tym, poprawiając sprzęganie światła i zmniejszając straty niepromieniste, Cao i jego koledzy z powodzeniem osiągnęli PLED z EQE do 20,7%.

Lin i jego kolega zastosowali inne podejście do generowania wysokiego EQE. Zamiast modyfikować mikrostrukturę warstwy perowskitu, zdecydowali się przyjąć nową strategię zarządzania rozkładem składu w urządzeniu — podejście, które jednocześnie zapewnia wysoką luminescencję i zrównoważony wstrzykiwanie ładunku. Innymi słowy, nadal stosowali płaską warstwę emisyjną, ale starali się zoptymalizować równowagę elektronów i dziur wstrzykiwanych do perowskitu, aby jak najefektywniej wykorzystać nośniki ładunku. Ponadto w warstwie perowskitu kryształy są doskonale zamknięte przez dodatek MABr (gdzie MA to CH 3 NH 3 ). Powłoka MABr pasywuje niepromieniste defekty, które w innym przypadku byłyby obecne w kryształach perowskitu, co skutkuje redukcją niepromienistej rekombinacji. Dlatego, równoważąc wstrzykiwanie ładunku i zmniejszając straty nieradiacyjne, Lin i jego koledzy opracowali PLED z EQE do 20,3%.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki