Светодиод: принцип действия и применение¶

Светодиод (от англ. Light Emitting Diode, LED) — полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Относсится к классу электролюминесцентных источников света. Светодиоды广泛 используются в освещении, индикации, дисплеях и оптоэлектронике.

¶Принцип действия

Светодиод представляет собой p-n-переход, изготовленный на основе полупроводниковых материалов. При прямом смещении на p-n-переходе электроны из области n-типа переходят в область p-типа и рекомбинируют с дырками. При этом выделяется энергия в виде фотонов. Длина волны излучаемого света определяется шириной запрещённой зоны полупроводника.

Для получения свечения в видимом диапазоне применяются прямозонные полупроводники: арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), индий-галлий-азот (InGaN) и другие соединения. Красные и жёлтые светодиоды исторически изготавливались на основе GaAsP, зелёные — на основе GaP, синие и белые — на основе InGaN.

¶История

Первые наблюдения электролюминесценции p-n-перехода были сделаны в 1907 году Генри Джозефом Раундом (Великобритания) и в 1927 году Олегом Лосевым (СССР). Однако практически пригодные светодиоды были созданы только в начале 1960-х годов.

В 1962 году Николас Холоньяк из General Electric создал первый работающий светодиод, излучавший в красном диапазоне. В 1962 году же был разработан первый инфракрасный светодиод на основе GaAs. В 1971 году появились первые зелёные светодиоды.

Долгое время светодиоды использовались преимущественно как индикаторные элементы в электронных приборах. Переломным стал 1994 год, когда Сюдзи Накамура из компании Nichia разработал высокоэффективный синий светодиод на основе InGaN. В сочетании с люминофором (желтым фосфором) синий светодиод позволил создать белый свет, что открыло путь к массовому применению светодиодов в освещении. В 2014 году Накамура, Исаму Акасаки и Хироши Амано были удостоены Нобелевской премии по физике за создание эффективных синих светодиодов.

¶Классификация

Светодиоды классифицируются по нескольким признакам:

• По размеру чипа: «пищали» (3 мм, 5 мм), SMD (Surface Mounted Device), COB (Chip on Board), мощные дискретные.
• По назначению: индикаторные, осветительные, подсветка, экраны.
• По цвету излучения: инфракрасные (830–940 нм), красные (620–660 нм), оранжевые, жёлтые, зелёные (515–570 нм), синие (460–490 нм), ультрафиолетовые (360–410 нм), белые.
• По конструкции: однокристальные, многоцветные (RGB), с изменяемым цветом (RGBW).

¶Характеристики

Основные параметры светодиода:

Светодиоды обладают высокой энергоэффективностью: современные осветительные светодиоды достигают световой отдачи более 150 лм/Вт, что в несколько раз превышает показатели ламп накаливания (около 15 лм/Вт).

¶Применение

¶Освещение

Светодиодные лампы вытесняют лампы накаливания и люминесцентные лампы благодаря длительному сроку службы, низкому энергопотреблению и отсутствию ртути. В России светодиодное освещение активно внедряется в жилых, коммерческих и уличных светильниках.

¶Индикация и дисплеи

Светодиоды используются в индикаторных панелях, светофорах, экранах наружной рекламы (LED-экраны), телевизорах с LED-подсветкой.

¶Автомобильная промышленность

Светодиодные фары, задние фонари и салонное освещение стали стандартом в современных автомобилях.

¶Медицина и связь

Инфракрасные светодиоды применяются в системах оптоволоконной связи, пульсоксиметрах, пультах дистанционного управления.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам светодиодов относятся: высокая энергоэффективность, длительный срок службы, механическая прочность, мгновенный включение, экологичность (отсутствие ртути), компактность.

Недостатки: чувствительность к перегреву (требуется теплоотвод), деградация светового потока при высоких температурах, зависимость яркости от тока и температуры, стоимость качественных драйверов.

¶Светодиоды в России

В России производством светодиодов и светодиодного освещения занимаются компании «Светлана-Оптоэлектроника» (Санкт-Петербург), «Алсвит» и ряд других предприятий. Рынок светодиодного освещения в России растёт двузначными темпами, поддерживаемый программами энергосбережения.

Источники:

• Википедия: Светодиод
• Википедия: Синий светодиод
• Шевчук В. А. Светодиоды и светодиодное освещение
• ГОСТ Р МЭК 62717-2017 «Светодиодные модули для общего освещения»