Інтерес до світлодіодів зростає швидше, ніж територія їх застосування в світлотехніці. Виробники і споживачі, продавці і покупці — все ніби завмерли на старті, боячись відстати від інших. І тільки дизайнери вже щосили користуються унікальними можливостями світлодіодів. Давно минув той час, коли світлодіоди були цікаві одним лише вченим. Тепер світлодіодна тема у всіх на слуху. Кажуть, за ними майбутнє. Але, може статися, очікування перебільшені? Дізнатися б точніше!

Дана публікація не випадково побудована у формі запитань і відповідей (FAQ, frequently asked questions — питання, що часто задаються). Саме так зацікавлена людина підходить до нового для неї об'єкта, з тим щоб «помацати» його з різних сторін і вже потім вирішити: чи потрібен — не потрібен. А мені ставити правильні запитання і знаходити на них вірні відповіді допомагав професор МДУ Олександр Еммануїлович Юнович, один з провідних російських фахівців з світлодіодам.

1. Що таке світлодіод?
Світлодіод — це напівпровідниковий прилад, що перетворює електричний струм безпосередньо в світлове випромінювання.
До речі, по-англійськи світлодіод називається light emitting diode, або LED.

2. З чого складається світлодіод?
З напівпровідникового кристала на підкладці, корпусу з контактними виводами і оптичної системи. Сучасні світлодіоди мало схожі на перші корпусні світлодіоди, що застосовувалися для індикації. Конструкція потужного світлодіода серії Luxeon, що випускається компанією Lumileds, схематично зображена на малюнку.

3. Як працює світлодіод?
Світіння виникає при рекомбінації електронів і дірок в області p-n-переходу. Значить, перш за все потрібен p-n-перехід, тобто контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього пріконтактной шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: по одну сторону акцепторними, по іншу — донорськими.
Але не всякий p-n-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар повинна бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, за яких рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови в тій чи іншій мірі суперечать один одному.
Реально, щоб дотримати обидві умови, одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетероструктури, за вивчення яких російський фізик академік Жорес Алфьоров одержав Нобелівську премію 2000 року.

4. Чи означає це, що чим більший струм проходить через діод, тим він світить яскравіше?
Зрозуміло, так. Адже чим більше струм, тим більше електронів і дірок надходять в зону рекомбінації в одиницю часу. Але струм не можна збільшувати до безкінечності. З внутрішнього опору напівпровідника і p-n-переходу діод перегріється і вийде з ладу.

5. Чим гарний світлодіод?
У світлодіоді, на відміну від лампи розжарювання або люмінесцентної лампи, електричний струм перетвориться безпосередньо в світлове випромінювання, і теоретично це можна зробити майже без втрат. Дійсно, світлодіод (при належному тепловідвід) мало нагрівається, що робить його незамінним для деяких додатків. Далі, світлодіод випромінює у вузькій частині спектра, його колір чистий, що особливо цінують дизайнери, а УФ - та ІЧ-випромінювання, як правило, відсутні. Світлодіод механічно міцний і виключно надійний, його термін служби може досягати 100 тисяч годин, що майже в 100 разів більше, ніж у лампи розжарювання, і в 5 — 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод — низьковольтний електроприлад, а стало бути, безпечний.

6. Чим поганий світлодіод?
Тільки одним — якою ціною. Поки що ціна одного люмена, випроміненого світлодіодом, в 100 разів вище, ніж галогенною лампою. Але фахівці стверджують, що в найближчі 2 — 3 роки цей показник буде зменшено в 10 разів.

7. Коли світлодіоди почали застосовуватися для освітлення?
Спочатку світлодіоди застосовувалися виключно для індикації. Щоб зробити їх придатними для освітлення, необхідно було перш за все навчитися виготовляти білі світлодіоди, а також збільшити їх яскравість, а точніше світловіддачу, тобто відношення світлового потоку до споживаної енергії.
У 60-х і 70-х роках були створені світлодіоди на основі фосфіду і арсеніду галію, що випромінюють в жовто-зеленої, жовтої і червоної областях спектру. Їх застосовували в світлових індикаторах, табло, приладових панелях автомобілів і літаків, рекламних екранах, різних системах візуалізації інформації. За світловіддачі світлодіоди обігнали звичайні лампи розжарювання. По довговічності, надійності, безпеки вони теж їх перевершили. Одне було погано — не існувало світлодіодів синього, синьо-зеленого та білого кольору.
До кінця 80-х років в СРСР випускалося більше 100 млн світлодіодів в рік, а світове виробництво становило кілька десятків мільярдів.

8. Від чого залежить колір світлодіода?
Виключно від ширини забороненої зони, в якій електрони і дірки рекомбінують, тобто від матеріалу напівпровідника, і від легуючих домішок. Ніж «синє» світлодіод, тим вище енергія квантів, а значить, тим більше повинна бути ширина забороненої зони.

9. Які труднощі довелося подолати вченим, щоб виготовити блакитний світлодіод?
Блакитні світлодіоди можна зробити на основі напівпровідників з великою шириною забороненої зони — карбіду кремнію, сполук елементів II і IV групи або нітридів елементів III групи. (Пам'ятаєте таблицю Менделєєва?)
У світлодіодів на основі SiC виявився занадто малий ккд і низький квантовий вихід випромінювання (тобто число випроменених квантів на одну рекомбіновану пару). У світлодіодів на основі твердих розчинів селеніду цинку (ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися з-за великого опору і служили недовго. Залишалася надія на нітриди.
Нітрид галію GaN плавиться при 2000 °С, при цьому рівноважний тиск парів азоту становить 40 атмосфер; ясно, що ростити такі кристали непросто. Аналогічні з'єднання — нитрилы алюмінію і індія — теж напівпровідники. Їх сполуки утворюють потрійні тверді розчини з шириною забороненої зони, яка залежить від складу, який можна підібрати так, щоб генерувати світло потрібної довжини хвилі, в тому числі і синій. Але... проблему не вдавалося вирішити до кінця 80-х років.
Першим, ще в 70-х, блакитний світлодіод на основі плівок нітриду галію на сапфіровій підкладці вдалося отримати професорові Жаку Панкову (Якову Ісаєвичу Панчечникову) з фірми IBM (США). Квантовий вихід був достатній для практичних застосувань, проте керівництво сказало: «Ну, це ж на сапфірі — дорого і не так яскраво, до того ж p-n-перехід поганий...» — і роботи Панкова не підтримали.
Тим часом група Сапарина і Чукичева з МДУ виявила, що під дією електронного пучка GaN з домішкою цинку стає яскравим люмінофором, і навіть запатентувала пристрій оптичної пам'яті. Але тоді загадкове явище пояснити не вдалося.
Це зробили японці — професор В. Акасаки і доктор X. Амано з університету Нагоя. Обробивши плівку GaN з домішкою магнію електронним пучком зі скануванням, вони отримали яскраво люминесцирую-щий шар р-типу з високою концентрацією дірок. Однак розробники світлодіодів не звернули належної уваги на їх публікації.
Лише в 1989 році доктор Ш. Накамура з фірми Nichia Chemical, досліджуючи плівки нітридів елементів III групи, зумів скористатися результатами професора Акасаки. Він так підібрав легування (Мд, Zn) і термообробку, замінивши нею електронне сканування, що зміг отримати ефективно инжектирующие верстви р-типу в GaN-гетероструктурах. Ось як був отриманий блакитний світлодіод.
Фірма Nichia запатентувала ключові етапи технології і до кінця 1997 року випускала вже 10 — 20 млн блакитних і зелених світлодіодів в місяць, а в січні 1998 року розпочала випуск білих світлодіодів.

10. Що таке квантовий вихід світлодіода?
Квантовий вихід — це число випроменених квантів світла на одну рекомбіновану електронно-діркову пару. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній — у самому p-n-переході, зовнішній — для приладу в цілому (адже світло може губитися «по дорозі» — поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів з хорошим тепло-відводом досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а ддя синіх — 35%.
Зовнішній квантовий вихід — одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

11. Як отримати біле світло з використанням світлодіодів?
Існує три способу отримання білого світла від світлодіодів. Перший — змішування кольорів за технологією RGB. На одній матриці щільно розміщуються червоні, блакитні і зелені світлодіоди, випромінювання яких змішується за допомогою оптичної системи, наприклад лінзи. У результаті виходить білий світ. Другий спосіб полягає в тому, що на поверхню світлодіода, що випромінює в ультрафіолетовому діапазоні (є й такі), наноситься три люмінофора, випромінюючих, відповідно, блакитний, зелений і червоний світло. Це схоже на те, як світить люмінесцентна лампа. І нарешті в третьому способі жовто-зелений або зелений плюс червоний люмінофор наноситься на блакитний світло-діод, так що два чи три випромінювання змішуються, утворюючи білий або близький до білого світло.

12. Який з трьох способів краще?
У кожного способу є свої переваги і недоліки. Технологія RGB в принципі дозволяє не тільки отримати білий колір, але і переміщатися по кольоровій діаграмі при зміні струму через різні світлодіоди. Цим процесом можна керувати вручну або за допомогою програми також можна отримувати різні колірні температури. Тому RGB-матриці широко використовуються в світлодинамічних системах. Крім того, велика кількість світлодіодів в матриці забезпечує високий сумарний світловий потік і велику осьову силу світла. Але світлове пляма з-за аберацій оптичної системи має неоднаковий колір в центрі і по краях, а головне, із-за нерівномірного відведення тепла з країв матриці і з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюється їх колір в процесі старіння — сумарні колірна температура і колір «пливуть» за час експлуатації. Це неприємне явище досить складно і дорого компенсувати.
Білі світлодіоди з люмінофорами істотно дешевше, ніж світлодіодні RGB-матриці (в перерахунку на одиницю світлового потоку), і дозволяють отримати гарний білий колір. І для них в принципі не проблема потрапити в точку з координатами (0.33, 0.33) на кольоровій діаграмі МКО. Недоліки такі: по-перше, у них менше, ніж у RGB-матриці, світловіддача за перетворення світла в шарі люмінофора; по-друге, досить важко точно проконтролювати рівномірність нанесення люмінофора в технологічному процесі і, отже, колірну температуру; і, нарешті, в-третіх — люмінофор теж старіє, причому швидше, ніж сам світлодіод.
Промисловість випускає як світлодіоди з люмінофором, так і RGB-матриці — у них різні області застосування.

13. Які електричні та оптичні характеристики світлодіодів?
Світлодіод — низьковольтний прилад. Звичайний світлодіод, який застосовується для індикації, споживає від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіод, який використовується для освітлення, споживає таку ж напругу, але струм вище — від кількох сотень мА до 1 А в проекті. У світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високим (зазвичай 12 або 24 В).
При підключенні світлодіода необхідно дотримувати полярність, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і зазвичай становить більше 5 В для одного світлодіода.
Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють в тілесному куті від 4 до 140 градусів. Колір, як правило, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання.
Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетингової характеристикою виявляється ціна одного люмена.

14. Як реагує світлодіод на підвищення температури?
Говорячи про температурі світлодіода, необхідно розрізняти температуру на поверхні кристала і в області p-n-переходу. Від першої залежить термін служби, від другої — світловий вихід. В цілому з підвищенням температури p-n-переходу яскравість світлодіода падає, тому що зменшується внутрішній квантовий вихід із-за впливу коливань кристалічної решітки. Тому так важливий хороший тепловідвід.
Падіння яскравості з підвищенням температури не однаково у світлодіодів різних кольорів. Воно більше у AlGalnP - і AeGaAs-світлодіодів, тобто у червоних і жовтих, і менше у InGaN, тобто у зелених, синіх і білих.

15. Чому потрібно стабілізувати струм через світлодіод?
Як видно з малюнка, в робочих режимах струм експоненціально залежить від напруги і незначні зміни напруги приводять до великих змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний струму, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може призвести до прискореного старіння.

типова вольт-амперна характеристика світлодіода

16. Для чого світлодіоду потрібно конвертор?
Конвертор (в англомовній термінології driver) для світлодіода — те ж, що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

17. Можна регулювати яскравість світлодіода?
Яскравість світлодіодів дуже добре піддається регулюванню, але не за рахунок зниження напруги живлення — цього якраз робити не можна, — а так званим методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), для чого необхідний спеціальний керуючий блок (реально він може бути поєднаний з блоком живлення і конвертором, а також з контролером управління кольорами RGB-матриці). Метод ШІМ полягає в тому, що подається на світлодіод не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна складати сотні або тисячі герц, а ширина імпульсів і пауз між ними може змінюватися. Середня яскравість світлодіода стає керованою, в той же час світлодіод не гасне.
Невелика зміна колірної температури світлодіода при діммірованіі незрівнянно з аналогічним зміщенням для ламп розжарювання.

18. Чим визначається термін служби світлодіода?
Вважається, що світлодіоди виключно довговічні. Але це не зовсім так. Чим більший струм пропускається через світлодіод в процесі його служби, тим вища його температура, тим швидше настає старіння. Тому термін служби у потужних світлодіодів коротше, ніж у малопотужних сигнальних, і складає в даний час 20 — 50 тисяч годин. Старіння виражається в першу чергу в зменшенні яскравості. Коли яскравість знижується на 30% або наполовину, світлодіод треба міняти.

19. «Псується» колір світлодіода з плином часу?
Старіння світлодіода пов'язано не лише зі зниженням його яскравості, але і зі зміною кольору. В даний час немає стандартів, які дозволили б виразити кількісно зміна кольору світлодіодів в процесі старіння і порівняти з іншими джерелами.

20. Не шкідливий світлодіод для людського ока?
Спектр випромінювання світлодіода близький до монохроматичному, в чому його кардинальна відмінність від спектра сонця або лампи розжарювання. Добре це чи погано — достеменно не відомо, тому що, наскільки я знаю, серйозних досліджень у цій області ніде не проводилося. Які-небудь дані про шкідливий вплив світлодіодів на людське око відсутні.
Є надія, що незабаром вплив світлодіодів на зір буде вивчено досконально. Проблемою зацікавився академік Михайло Аркадійович Островський — великий фахівець в області кольорового зору. Тема, за вирішення якої він взявся, називається так: «Психофізичний сприйняття світлодіодного освітлення системою зору людини».

21. Коли і як надяскраві світлодіоди з'явилися в Росії?
Про це найкраще розповість професор Юнович.
— Люмінесценцію карбіду кремнію вперше спостерігав Олег Володимирович Лосєв у Нижегородської радіотехнічної лабораторії в 1923 р. і показав, що вона виникає поблизу p-n-переходу. Перша наукова стаття про кристалах нітриду галію була опублікована професором МДУ Р. С. Ждановим у 30-х рр. Люмінесценцію в гетероструктурах на основі арсеніду галію вперше досліджували в лабораторії Ж. В. Алфьорова в 60-х рр. і показали, що можна створити структури з внутрішнім квантовим виходом близьким до 100%. Розробки структур і світлодіодів на основі нітриду галію велися в ленінградських Політехнічному та Електротехнічному інститутах, в Калузі, в Зеленограді в 70-х роках, але тоді вони не призвели до створення ефективних блакитних світлодіодів.
У 1995 році я прочитав перші статті Накамури і зрозумів, що «блакитна проблема» в принципі вирішена. Тоді ж я отримав грант соросівського фонду. У грудні на ці гроші я зміг поїхати на конференцію в США, і там професор Жак Панків познайомив мене з Ш. Накамурою. Я закинув наживку: мовляв, хочу долучити студентів Московського університету до передових досягнень в області блакитних світлодіодів і розповісти їм про такому чудовому винаході. Рибка клюнула, і в лютому я одержав від д-ра Ш. Накамури з Японії бандероллю 10 світлодіодів від фіолетового до зеленого. Все потім виявилося просто — фірма Nichia Chemical починала випуск світлодіодів на ринок і була зацікавлена в науковій рекламі. В лабораторії МДУ ми їх досконально дослідили, зняли всі характеристики і отримали нові наукові результати. Д-р Ш. Накамура дав люб'язну згоду на спільну публікацію наших перших статей.
Одночасно фахівці з групи Бориса Фера-понтовича Тринчука в Зеленограді продемонстрували зразки зелених світлодіодів начальникам з ДАІ і отримали позитивний відгук. Вся справа в тому, що ця група зробила дослідний зразок світлодіодного світлофора, але у них не було гарних зелених світлодіодів. Світлофори з новими над'яскравими зеленими світлодіодами набагато перевершували світлофори з лампами, і московський уряд зробило замовлення на 1000 світлодіодних світлофорів до 850-річчя Москви. Таке везіння!
Якраз тоді у нас гостювала киргизька скрипалька Райкан Карагулова — випускниця Московської консерваторії, учениця моєї дружини, яка працювала в Японії першим концертмейстером симфонічного оркестру в Осаці. З'ясувалося, що місце її роботи знаходиться неподалік від фірми Nichia Chemical! Б. Ф. Тринчук дав їй тисячу доларів і попросив купити на них і надіслати на мою адресу 200 зелених світлодіодів. З них були виготовлені перші світлофори з тієї ювілейної тисячі. Москва стала першим у світі містом з масовим застосуванням світлодіодних світлофорів.
Наші вчені та інженери в НДІ «Сапфір» намагалися повторити досягнення японців і виготовити структури на основі нітридів для блакитних і зелених світлодіодів на старій эпитаксиальной установці, яку довелося модернізувати, щоб досягти більш високих температур і тисків. Але ініціатива заглохла з-за відсутності грошей і інтересу керівництва.

22. Які на сьогоднішній день існують технології виготовлення світлодіодів та світлодіодних модулів?
Що стосується вирощування кристалів, то основна технологія — металоорганічних епітаксії. Для цього процесу необхідні особливо чисті гази. У сучасних установках передбачені автоматизація і контроль складу газів, їх роздільні потоки, точне регулювання температури газів і підкладок. Товщини вирощуваних верств вимірюються і контролюються в межах від десятків ангстрем до декількох мікрон. Різні верстви необхідно легувати домішками, донорами чи акцепторами, щоб створити p-n-перехід з великою концентрацією електронів в n-області і дірок в р-області.
За один процес, який триває кілька годин, можна виростити структури на 6 — 12 підкладках діаметром 50 — 75 мм. Дуже важливо забезпечити і проконтролювати однорідність структур на поверхні підкладок. Вартість установок для епітаксійного росту напівпровідникових нітридів, розроблених в Європі (фірми Aixtron і Thomas Swan) і США (Emcore), сягає 1,5 — 2 млн доларів. Досвід різних фірм показав, що навчитися отримувати на такій установці конкурентоспроможні структури з необхідними параметрами можна за період від одного року до трьох років. Це — технологія, що вимагає високої культури.
Важливим етапом технології є планарна обробка плівок: їх травлення, створення контактів до п - і р-верствам, покриття металевими плівками для контактних висновків. Плівку, вирощену на одній підкладці, можна розрізати на кілька тисяч чіпів розмірами від 0,24 x0,24 до 1x1 мм2.
Наступним кроком є створення світлодіодів з цих чіпів. Необхідно змонтувати кристал в корпусі, зробити контактні висновки, виготовити оптичні покриття, просвітлюючі поверхню для виводу випромінювання або відбивають його. Якщо це білий світлодіод, то потрібно рівномірно нанести люмінофор. Треба забезпечити тепловідвід від кристалу і корпусу, зробити пластиковий купол, фокусує випромінювання в потрібний тілесний кут. Близько половини вартості светоди-ода визначається цими етапами високої технології.
Необхідність підвищення потужності для збільшення світлового потоку призвела до того, що традиційна форма корпусного світлодіода перестала задовольняти виробників з-за недостатнього тепловідводу. Треба було максимально наблизити чіп до теплопроводящей поверхні. У зв'язку з цим на зміну традиційної технології і кілька більш досконалої SMD-технології (surface montage details — поверхневий монтаж деталей) приходить найбільш передова технологія СОВ (chip on board). Світлодіод, виготовлений за технологією СОВ, схематично зображений на малюнку.
Світлодіоди, виконані за SMD - СОВ-технології, монтуються (приклеюються) безпосередньо на загальну основу, яка може виконувати роль радіатора — в цьому випадку вона робиться з металу. Так створюються світлодіодні модулі, які можуть мати лінійну, прямокутну або круглу форму, бути жорсткими або гнучкими, коротше, покликані задовольнити будь-яку примху дизайнера. З'являються і світлодіодні лампи з цоколем таким же, як у низьковольтних галогенних, покликані їм на заміну. А для потужних світильників і прожекторів виготовляються світлодіодні збірки на круглому масивний радіатор.
Раніше в світлодіодних збірках було дуже багато світлодіодів. Зараз, у міру збільшення потужності, світлодіодів стає менше, зате оптична система, що направляє світловий потік в потрібний тілесний кут, відіграє все більшу роль.

технологія СОВ

23. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию и где высоки требования по электробезопасности.
В Москве в начале 2004 года была принята трехлетняя программа энергосберегающего освещения на базе светодиодных технологий. Координационный совет возглавил профессор Ю.Б. Айзенберг. Согласно этой программе предлагается использовать светодиоды в опытном строительстве, ЖКХ и других областях. Например, светодиодные светильники будут устанавливаться в подземных переходах, подъездах, на лифтовых площадках, то есть там, где не нужна большая освещенность, но требуется минимум обслуживания и энергозатрат, а также важна высокая вандалоустойчивость.

Якщо у вас залишилися питання світлодіодної продукції - світильники, люстри, споти, торшери, бра, підсвічування картин та інше - менеджери нашого інтернет - магазину https://itlamp.com.ua/ з радістю ответя на них!

https://itlamp.com.ua/ інтернет - магазин світильників.