Η πλήρης μορφή του LED είναι δίοδος εκπομπής φωτός. Τα LED είναι ειδικός τύπος διόδων ημιαγωγών που εκπέμπουν φως ως απόκριση σε μια διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες τους, εξ ου και η ονομασία δίοδος εκπομπής φωτός. Ακριβώς όπως μια κανονική δίοδο, τα LED έχουν επίσης δύο ακροδέκτες με πολικότητα, δηλαδή την άνοδο και την κάθοδο. Για να ανάψει ένα LED μια διαφορά δυναμικού ή μια τάση εφαρμόζεται στους ακροδέκτες ανόδου και καθόδου.

Σήμερα, τα LED χρησιμοποιούνται εκτενώς για την κατασκευή λαμπτήρων LED υψηλής φωτεινότητας τελευταίας τεχνολογίας. Αυτά χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως για την κατασκευή διακοσμητικών φώτων χορδών LED και ενδείξεων LED.

Σύντομη Ιστορία

Παρά το γεγονός ότι τα LED θεωρούνται προϊόν της βιομηχανίας ημιαγωγών υψηλής τεχνολογίας σήμερα, η φωτιστική τους ιδιότητα εντοπίστηκε αρχικά πριν από πολλά πολλά χρόνια. Το πρώτο άτομο που παρατήρησε το εφέ φωτός LED ήταν ένας από τους μηχανικούς του Marconi, ο H. J. Round, ο οποίος είναι επίσης γνωστός για αρκετές εφευρέσεις σωλήνων κενού και ραδιοφώνου. Έτυχε να το ανακαλύψει αυτό το έτος 1907 ενώ ερευνούσε με τον Marconi σε ανιχνευτές κρυστάλλων σημείου επαφής.

Το 1907, το περιοδικό Electrical World ήταν το πρώτο που έκανε αναφορά σε αυτές τις ανακαλύψεις. Η ιδέα των LED παρέμεινε αδρανής για αρκετά χρόνια έως ότου ανακαλύφθηκε ξανά το 1922 από τον Ρώσο επιστήμονα O.V. Λόσοφ.

Ο Λόσοφ διέμενε στο Λένινγκραντ, όπου σκοτώθηκε τραγικά στον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Είναι πιθανό τα περισσότερα από τα σχέδιά του να χάθηκαν στον πόλεμο. Αν και κατέθεσε συνολικά τέσσερις πατέντες μεταξύ των ετών 1927 και 1942, η έρευνά του αναγνωρίστηκε μόνο μετά τον θάνατό του.

Η ιδέα των LED επανεμφανίστηκε το 1951, όταν μια ομάδα επιστημόνων υπό τον K. Lehovec άρχισε να ερευνά την επίδραση. Η έρευνα προχώρησε με τη συμμετοχή άλλων οργανισμών και ερευνητών, συμπεριλαμβανομένου του W. Shockley (εφευρέτης του τρανζίστορ). Τελικά, η ιδέα των LED υπέστη σημαντική βελτίωση και άρχισε να διατίθεται στο εμπόριο στα τέλη της δεκαετίας του 1960.

Ποιο υλικό ημιαγωγών χρησιμοποιείται σε μια διασταύρωση LED;

Στην ουσία, οι δίοδοι εκπομπής φωτός είναι μια εξειδικευμένη διασταύρωση PN που γίνεται χρησιμοποιώντας έναν σύνθετο ημιαγωγό.

Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι οι δύο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι ημιαγωγοί, ωστόσο, δεδομένου ότι πρόκειται μόνο για στοιχεία, δεν μπορούν να κατασκευαστούν LED.

“έργα του τελευταίου έτους για την επιστήμη των υπολογιστών ”

Αντίθετα, υλικά όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, το φωσφίδιο του γαλλίου και το φωσφίδιο του ινδίου που συνδυάζουν δύο ή περισσότερα στοιχεία χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή LED. Το αρσενίδιο του γαλλίου, για παράδειγμα, έχει σθένος 3 και το αρσενικό έχει σθένος πέντε, και επομένως και τα δύο ταξινομούνται ως ημιαγωγοί της ομάδας III-V.

Τα υλικά που ανήκουν στην ομάδα III-V μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία άλλων σύνθετων ημιαγωγών.

Όταν μια διασταύρωση ημιαγωγών είναι πολωμένη προς τα εμπρός, οπές από την περιοχή τύπου P και ηλεκτρόνια από την περιοχή τύπου Ν εισέρχονται στη διασταύρωση και συνδυάζονται, ακριβώς όπως θα συνέβαιναν σε μια κανονική δίοδο.

Το ρεύμα κινείται μέσω της διασταύρωσης με αυτόν τον τρόπο.

Ως αποτέλεσμα απελευθερώνεται ενέργεια, μερικά από τα οποία εκπέμπονται σαν φωτόνια (φως). Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η μικρότερη ποσότητα φωτονίων (φως) απορροφάται από τη δομή, η πλευρά P της διασταύρωσης, η οποία παράγει το μεγαλύτερο μέρος του φωτός στις περισσότερες περιπτώσεις, είναι τοποθετημένη πιο κοντά στην επιφάνεια της συσκευής.

Η διασταύρωση απαιτείται να είναι τέλεια βελτιστοποιημένη και να χρησιμοποιηθούν τα σωστά υλικά για τη δημιουργία ορατού φωτός. Η υπέρυθρη περιοχή του φάσματος είναι όπου το καθαρό αρσενίδιο του γαλλίου εκπέμπει την ενέργειά του.

Πώς τα LED παίρνουν τα χρώματά τους

Το αλουμίνιο εισάγεται στον ημιαγωγό για την παραγωγή αρσενιδίου του γαλλίου αλουμινίου, το οποίο μετατοπίζει το φως LED στο έντονο κόκκινο άκρο του φάσματος (AIGaAs).

Το κόκκινο φως μπορεί επίσης να παραχθεί με την προσθήκη φωσφόρου.

Διάφορα υλικά χρησιμοποιούνται για άλλα χρώματα LED. Για παράδειγμα, το φωσφίδιο του γαλλίου εκπέμπει πράσινο φως, ενώ το κίτρινο και το πορτοκαλί φως παράγεται από το φωσφίδιο του γαλλίου ινδίου αλουμινίου. Η πλειοψηφία των LED είναι κατασκευασμένα από ημιαγωγούς γαλλίου.

Τα LED κατασκευάζονται με δύο κατασκευές

Η δίοδος εκπομπής επιφάνειας και η δίοδος εκπομπής ακμών, που φαίνονται στα Σχ. 1 Α και Β, αντίστοιχα, είναι οι δύο κύριες αρχιτεκτονικές που χρησιμοποιούνται για τα LED. Η δίοδος εκπομπής επιφάνειας είναι η πιο δημοφιλής από αυτές, καθώς παράγει φως σε ευρύτερη γωνία.

Μετά την κατασκευή, η δομή LED πρέπει να περικλείεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια χωρίς καμία ζημιά στο LED.

Η πλειονότητα των μικροσκοπικών ενδείξεων LED είναι εγκλωβισμένη σε μια εποξειδική κόλλα με δείκτη διάθλασης που βρίσκεται κάπου μεταξύ αυτού του ημιαγωγού και του περιβάλλοντος αέρα (βλ. Εικ. 2 παρακάτω). Η δίοδος έτσι προστατεύεται τέλεια και το φως μεταφέρεται στον εξωτερικό κόσμο με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο.

Προδιαγραφές LED Forward Voltage (VF).

Δεδομένου ότι τα LED είναι συσκευές ευαίσθητες στο ρεύμα, η εφαρμοζόμενη τάση δεν πρέπει ποτέ να υπερβαίνει την ελάχιστη προδιαγραφή τάσης προς τα εμπρός του LED. Η προδιαγραφή προς τα εμπρός τάσης ενός LED (VF) είναι απλώς το βέλτιστο επίπεδο τάσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φωτίσει το LED με ασφάλεια και φωτεινότητα. Εάν το ρεύμα υπερβεί την προδιαγραφή τάσης προς τα εμπρός του LED, το LED θα καεί και θα καταστραφεί μόνιμα.

Σε περίπτωση που η τάση τροφοδοσίας είναι υψηλότερη από την προς τα εμπρός τάση του LED, χρησιμοποιείται μια υπολογισμένη αντίσταση σε σειρά με την τροφοδοσία για τον περιορισμό του ρεύματος στο LED. Αυτό διασφαλίζει ότι η λυχνία LED είναι σε θέση να ανάβει με ασφάλεια με βέλτιστη φωτεινότητα.

Η τιμή της μπροστινής τάσης των περισσότερων LED σήμερα είναι περίπου 3,3 V. Είτε είναι ένα κόκκινο, ένα πράσινο ή ένα κίτρινο LED, όλα συνήθως μπορούν να ανάψουν εφαρμόζοντας 3,3 V στους ακροδέκτες ανόδου και καθόδου.

Η τάση τροφοδοσίας στο LED πρέπει να είναι DC. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ένα AC, αλλά στη συνέχεια το LED θα πρέπει να έχει συνδεδεμένη διόδου ανορθωτή. Αυτό διασφαλίζει ότι η αλλαγή της πολικότητας της τάσης AC δεν προκαλεί καμία βλάβη στο LED.

Περιοριστικό ρεύμα

Τα LED, όπως και οι κανονικές δίοδοι, δεν έχουν εγγενή περιορισμό ρεύματος. Ως αποτέλεσμα, εάν συνδεθεί απευθείας σε μια μπαταρία, θα καεί.

Εάν η τροφοδοσία DC είναι περίπου 3,3 V τότε το LED δεν θα απαιτεί περιοριστική αντίσταση. Ωστόσο, εάν η τάση τροφοδοσίας είναι μεγαλύτερη από 3,3 V, τότε θα απαιτηθεί αντίσταση σε σειρά με ακροδέκτη LED.

Η αντίσταση μπορεί να συνδεθεί είτε σε σειρά με τον ακροδέκτη ανόδου του LED, είτε με τον ακροδέκτη καθόδου του LED.

Για να αποφευχθεί η ζημιά, πρέπει να συνδεθεί μια αντίσταση στο κύκλωμα για τον έλεγχο του ρεύματος. Κανονική ένδειξη Οι LED έχουν μέγιστη προδιαγραφή ρεύματος περίπου 20 mA. Εάν το ρεύμα είναι περιορισμένο κάτω από αυτό, η απόδοση φωτός του LED θα μειωθεί αναλογικά.

Όπως απεικονίζεται στο Σχ. 3 παραπάνω, η τάση στο ίδιο το LED μπορεί να χρειαστεί να ληφθεί υπόψη κατά την εκτίμηση της ποσότητας ρεύματος που καταναλώνεται. Γιατί αν αυξηθεί η τάση και η κατανάλωση ρεύματος θα αυξηθεί αναλογικά.

Ο τύπος για τον υπολογισμό της περιοριστικής αντίστασης είναι ο παρακάτω:

R = V - LED FWD V / Ρεύμα LED