Barvne LED: kako dobite različne barve?

P Barvne LED Spremljajo nas zadnja leta. Vsakič, ko se pojavijo novi odtenki LED, saj v vseh primerih ni bilo lahko. Na primer, kot zanimivost morate vedeti, da so bile LED diode z belo svetlobo in LED z modro svetlobo med zadnjimi, ki so prišle na trg.

Trenutno so postali vrsta diode bistvenega pomena za številna področja. Zato se boste v tem članku naučili Vse kar morate vedeti Na teh osnovne elektronske komponente, in o tem, zakaj oddajajo svetlobo, zakaj te barve in še veliko več ...

Polprevodniški viri oddajanja svetlobe

Kot morate vedeti, sta dva vira svetlobnih emisij, ki lahko prihajata iz polprevodniških naprav Laserske diode in LED diode. Medtem ko LED temelji na spontani emisiji, laserji temeljijo na stimulirani emisiji. To je razlika med obema.

P svetleče diode (Light Emitting Diode) so najpogostejši vir svetlobe med elektronsko opremo. Uporabljajo se za prikaz časa na digitalnih urah, za signalizacijo delovanja ali polnjenja baterije itd. Uporab je veliko, zdaj pa so skočili tudi v razsvetljavo z novimi LED žarnicami za osvetlitev vseh vrst prostorov in tudi za vozila.

Te LED naprave spadajo v skupino opto-polprevodniki, ki lahko pretvori električni tok v svetlobo. Ta svetilna naprava ima veliko prednost, da je vzdržljiva, saj ne pregori kot žarnice, poleg tega pa je tudi veliko bolj učinkovita, zato je poraba veliko nižja kot pri klasičnih žarnicah. Poleg tega so njihovi stroški izdelave zelo nizki, zato so postali tako priljubljeni.

Kot katera koli druga polprevodniška naprava ima tudi LED osnovne glavne elemente, kot je P cone z luknjami (+) in N cone z elektroni (-), to je običajnih nosilcev naboja katerega koli polprevodnika. In to naredi:

• Ko je stran P povezana z napajalnikom in stran N z maso, je povezava usmerjena naprej, kar omogoča, da tok teče skozi diodo in oddaja svetlobo, ki jo lahko vsi vidimo.
• Če je stran P povezana z ozemljitvijo, stran N pa z napajalnikom, je povezava reverzno prednapeta, kar preprečuje pretok toka. Že veste, da diode preprečujejo prehod toka v eno smer.
• Pri prednapetosti se večinski in manjšinski nosilci naboja na P-strani in N-strani združijo med seboj in nevtralizirajo nosilce naboja v osiromašeni plasti PN-spojnice. In po drugi strani ta migracija elektronov in lukenj sprosti določeno količino fotonov, to pomeni, da se del energije oddaja v obliki svetlobe s konstantno (monokromatsko) valovno dolžino. To je tisto, kar bo označevalo barvo LED, saj je lahko glede na valovno dolžino, ki jo oddaja, IR, modra, rumena, zelena, rumena, jantarna, bela, rdeča, UV itd.
• Oddano valovno dolžino elektromagnetnega spektra in s tem barvo določajo polprevodniški materiali, ki tvorijo PN spoj diode. Zato lahko polprevodniške spojine spreminjamo ali se z njimi igramo, da ustvarimo nove barve znotraj spektra ali vidnega območja.

Povedati je treba, da je rdečo, modro in zeleno barvo (RGB ali Red Green Blue) enostavno kombinirati, da bi lahko proizvajajo belo svetlobo. Po drugi strani pa je treba povedati, da se delovna napetost LED diod razlikuje tudi glede na barvo. Na primer, barve rdeča, zelena, jantarna in rumena potrebujejo približno 1.8 volta za delovanje. In to je, da je delovno napetostno območje svetleče diode mogoče določiti glede na prebojno napetost polprevodniškega materiala, uporabljenega za izdelavo LED.

Vrste LED

LED diode lahko razvrstimo na več načinov, eden glavnih je, da to storimo glede na valovno dolžino, ki jo oddajajo, dve kategoriji:

•  vidne LED diode: so tiste, ki oddajajo valovne dolžine znotraj vidnega spektra, to je med 400 nm in 750 nm. To območje je tisto, kar lahko vidi človeško oko, tako kot v zvočnem polju lahko slišimo le med 20 Hz in 20 Khz. Pod 20 Hz so infrazvoki, ki jih ne slišimo, nad 20 Khz pa ultrazvoki, ki jih prav tako ne moremo zajeti. Nekaj ​​podobnega se zgodi v primeru svetlobe, ki ima infrardečo ali IR, ko gre pod 400 nm, in ultravijolično svetlobo, ko gre nad 750 nm. Oboje nevidno človeškemu očesu.
•  nevidne LED diode: so tiste valovne dolžine, ki jih ne vidimo, kot je to v primeru IR diode ali UV diode.

Vidne LED diode se uporabljajo predvsem za razsvetljavo ali signalizacijo. Nevidne LED diode se uporabljajo v aplikacijah, vključno z optičnimi stikali, optičnimi komunikacijami in analizami itd., z uporabo foto senzorjev.

Učinkovitost

Kot dobro veste, je LED razsvetljava veliko bolj učinkovit kot klasična, zato porabi veliko manj energije. To je posledica narave LED. V naslednji tabeli si lahko ogledate razmerje med svetlobnim tokom in vhodno električno močjo, ki jo dovaja LED. To pomeni, da se lahko izrazi v lumnih na vat (lm/W):

LED konstrukcija

Vir: ResearchGate

La Struktura in konstrukcija svetlečih diod se zelo razlikujeta od običajnih diod, kot je cener itd. Svetloba bo oddajana iz LED, ko je njen PN spoj nagnjen naprej. PN spoj je prekrit s trdno epoksi smolo in prozorno plastično polkroglo kupolo, ki ščiti notranjost LED pred atmosferskimi motnjami, vibracijami in toplotnimi udarci.

PN spoj je oblikovan z uporabo materialov spojine z nižjo pasovno vrzeljo, kot so galijev arzenid, galijev arzenid fosfid, galijev fosfid, indijev galijev nitrid, galijev aluminijev nitrid, silicijev karbid itd. Na primer, rdeče LED so zgrajene na substratu iz galijevega arzenida, zelene, rumene in oranžne na galijevem fosfidu itd. Pri rdečih je plast tipa N dopirana s telurijem (Te), plast P pa s cinkom (Zn). Po drugi strani so kontaktne plasti oblikovane z uporabo aluminija na strani P in kositra-aluminija na strani N.

Vedeti morate tudi, da ta križišča ne oddajajo veliko svetlobe, zato kupola iz epoksi smole zgrajen je tako, da se fotoni svetlobe, ki jih seva PN spoj, najbolje odbijajo in fokusirajo skozenj. To pomeni, da ne deluje le kot zaščita, ampak tudi kot leča za koncentriranje svetlobe. To je razlog, zakaj se zdi, da je oddana svetloba svetlejša na vrhu LED.

LED diode so zasnovane tako, da zagotavljajo, da večina rekombinacije nosilcev naboja poteka na površini PN spoja iz očitnih razlogov in to dosežemo na ta način:

• S povečanjem koncentracije dopinga substrata se dodatni manjšinski elektroni nosilcev naboja premaknejo na vrh strukture, se rekombinirajo in oddajajo svetlobo na površino LED.
• S povečanjem difuzijske dolžine nosilcev naboja, to je L = √ Dτ, kjer je D difuzijski koeficient in τ življenjska doba nosilca naboja. Ko se poveča nad kritično vrednost, obstaja možnost ponovne absorpcije sproščenih fotonov v napravi.

Torej, ko je LED dioda povezana s prednapetostjo, prevozniki tovora pridobijo dovolj energije, da premagajo obstoječo potencialno oviro na PN spoju. Manjšinski nosilci naboja v polprevodnikih P-tipa in N-tipa se vbrizgajo čez spoj in se rekombinirajo z večinskimi nosilci. Kombinacija večinskih in manjšinskih nosilcev je lahko na dva načina:

• sevalno: ko se svetloba oddaja med rekombinacijo.
• ni sevalno: med rekombinacijo se ne oddaja svetloba, proizvaja se toplota. To pomeni, da se del uporabljene električne energije izgubi v obliki toplote in ne svetlobe. Odvisno od odstotka energije, porabljene za ustvarjanje svetlobe ali toplote, bo to učinkovitost LED.

organski polprevodniki

Pred kratkim so prodrli tudi na trg OLED ali organske svetleče diode, ki so bile uporabljene za zaslone. Te nove organske diode so sestavljene iz materiala organske narave, to je organskega polprevodnika, kjer je prevod dovoljen deloma ali v celotni organski molekuli.

Ti organski materiali so lahko v kristalni fazi ali v polimernih molekulah. Njihova prednost je zelo tanka struktura, nizki stroški, za delovanje potrebujejo zelo nizko napetost, imajo visoko svetlost ter največji kontrast in intenzivnost.

LED barve

Za razliko od običajnih polprevodniških diod LED diode oddajajo to svetlobo zaradi spojin, ki jih uporabljajo, kot sem že omenil. Običajne polprevodniške diode so narejene iz silicija ali germanija, svetleče diode pa imajo spojine kot so:

• galijev arzenid
• galijev arzenid fosfid
• Silicijev karbid
• indijev galijev nitrid

Z mešanjem teh materialov lahko ustvarite edinstveno in drugačno valovno dolžino, da dosežete želeno barvo. Različne polprevodniške spojine oddajajo svetlobo v določenih območjih spektra vidne svetlobe in zato proizvajajo različne stopnje jakosti svetlobe. Izbira polprevodniškega materiala, uporabljenega pri izdelavi LED, bo določila valovno dolžino emisij fotonov in posledično barvo oddane svetlobe.

Vzorec sevanja

Vzorec sevanja je opredeljen kot kot emisije svetlobe glede na sevalno površino. Največja količina moči, intenzitete ali energije bo dosežena v smeri, ki je pravokotna na sevalno površino. Kot oddajanja svetlobe je odvisen od oddane barve in se običajno giblje med približno 80° in 110°. Tukaj je tabela z različne barve in materiali:

Barve svetlobe, ki jo oddaja LED, ne določa plastična barva karoserije ki obdaja LED. To mora biti zelo jasno. Kot sem že omenil, se epoksidna smola uporablja tako za izboljšanje svetlobne moči kot za označevanje barve, ko LED lučka ne sveti.

Večbarvna LED

Na trgu obstaja a na voljo širok izbor LED, z različnimi oblikami, velikostmi, barvami, jakostjo izhodne svetlobe itd. Vendar pa je treba reči, da je nesporni kralj za svojo ceno galijev arzenid fosfid rdeča LED s premerom 5 mm. Ta se na svetu najbolj uporablja, zato se izdeluje v največji količini.

Vendar, kot ste videli, trenutno obstaja veliko različnih barv in več barv se celo kombinira, da se ustvari a Večbarvna LED kot ta, ki ga bomo videli v tem razdelku ...

Bikolor

Dvobarvna LED, kot že ime pove, je a LED, ki lahko oddaja v dveh različnih barvah. To dosežemo s kombinacijo dveh različnih barv LED v istem paketu. Na ta način lahko prehajate iz ene barve v drugo. Na primer tiste LED-lučke, ki jih vidite na nekaterih napravah za prikaz stanja napolnjenosti baterije, ki postanejo rdeče, ko se polni, in zelene, ko je že napolnjena.

Za izdelavo teh LED so povezani vzporedno, pri čemer je anoda ene LED povezana s katodo druge LED in obratno. Na ta način bo ob napajanju katere koli anode zasvetila samo ena LED, tista, ki prejema napajanje skozi svojo anodo. Če sta obe anodi napajani hkrati, je z dinamičnim preklopom možno obe hkrati vklopiti.

Tricolor

Imamo tudi tribarvne LED diode, torej jih lahko oddaja tri različne barve namesto dveh. Ti združujejo tri LED s skupno katodo v istem ohišju in za osvetlitev ene ali dveh barv morate katodo povezati z maso. In tok, ki ga dovaja anoda barve, ki jo želite nadzorovati ali vklopiti.

To pomeni, da je za eno ali dvobarvno LED osvetlitev potrebno priključiti napajanje katere koli anode posamično ali hkrati. Te tribarvne LED se pogosto uporabljajo tudi v številnih napravah, kot so mobilni telefoni, za označevanje obvestil itd. Prav tako ta tip diode ustvari dodatne odtenke primarnih barv tako, da prižge dve LED diodi pri različnih razmerjih enosmernega toka.

RGB LED

V bistvu gre za vrsto tribarvne LED, v tem primeru znano kot RGB (rdeče zeleno modra), ker oddaja te tri barvne luči. Te so postale zelo priljubljene pri barvnih okrasnih letvah in igralni opremi, kot morda veste. Kljub temu, da imate osnovne barve, ni mogoče ustvariti vseh barv in odtenkov. Nekatere barve so zunaj trikotnika RGB in barve, kot so roza, rjava itd., je težko dobiti z RGB.

LED prednosti in slabosti

Zdaj je čas, da vidimo, kateri so glavni prednosti in slabosti teh LED diod:

Prednost

• Majhna velikost
• Nizki proizvodni stroški
• Dolg rok trajanja (ne topi se)*
• Visoka energetska učinkovitost / nizka poraba
• Nizka temperatura / manj sevane toplote
• Prilagodljivost oblikovanja
• Proizvajajo lahko veliko različnih barv in celo belo svetlobo.
• Visoka hitrost preklapljanja
• visoka intenzivnost svetlobe
• Lahko se oblikuje za fokusiranje svetlobe v eno smer
• So polprevodniške naprave, zato so bolj robustne: bolj odporne na toplotne šoke in tresljaje
• Brez prisotnosti UV žarkov

Slabosti

• Odvisnost sevalne izhodne moči in valovne dolžine LED od temperature okolja.
• Občutljivost na poškodbe zaradi previsoke napetosti in/ali previsokega toka.
• Teoretična splošna učinkovitost je dosežena le pri posebnih hladnih ali impulznih pogojih.

aplikacije

Ne nazadnje je treba pokazati, kaj so možne aplikacije za katere so te barvne LED diode namenjene:

• za luči vozil
• Oznake: smerniki, znaki, semaforji
• Prikaz vizualnih informacij na nadzornih ploščah
• Za zaslone, kjer so slikovne pike sestavljene iz LED
• Medicinske aplikacije
• Igrače
• Razsvetljava
• Daljinski upravljalniki (IR LED)
• itd