.svg/1280px-LED,_5mm,_green_(en).svg.png)
Светодиод ( LED ) — это полупроводниковый прибор , который излучает свет при прохождении через него тока . Электроны в полупроводнике рекомбинируют с электронными дырками , высвобождая энергию в виде фотонов . Цвет света (соответствующий энергии фотонов) определяется энергией, необходимой электронам для пересечения запрещенной зоны полупроводника. [5] Белый свет получается при использовании нескольких полупроводников или слоя светоизлучающего люминофора на полупроводниковом приборе. [6]
Появившись в качестве практических электронных компонентов в 1962 году, самые первые светодиоды излучали инфракрасный (ИК) свет низкой интенсивности. [7] Инфракрасные светодиоды используются в схемах дистанционного управления , например, в тех, которые используются в широком спектре бытовой электроники. Первые светодиоды видимого света имели низкую интенсивность и ограничивались красным цветом.
Ранние светодиоды часто использовались в качестве индикаторных ламп, заменяя небольшие лампы накаливания , и в семисегментных дисплеях . Более поздние разработки привели к появлению светодиодов, доступных в видимом , ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном диапазонах длин волн с высокой, низкой или средней светоотдачей, например, белых светодиодов, подходящих для комнатного и наружного освещения. Светодиоды также дали начало новым типам дисплеев и датчиков, в то время как их высокие скорости переключения полезны в передовых коммуникационных технологиях с такими разнообразными приложениями, как авиационное освещение , гирлянды , полосовые светильники , автомобильные фары , реклама, общее освещение , светофоры , вспышки камер, подсвеченные обои , садовые светильники для выращивания растений и медицинские приборы. [8]
Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания, включая более низкое энергопотребление, более длительный срок службы, улучшенную физическую прочность, меньшие размеры и более быстрое переключение. В обмен на эти в целом благоприятные характеристики, недостатки светодиодов включают электрические ограничения по низкому напряжению и, как правило, по постоянному току (не переменному), невозможность обеспечить устойчивое освещение от импульсного источника постоянного или переменного тока, а также меньшую максимальную рабочую температуру и температуру хранения.
Светодиоды — преобразователи электричества в свет. Они работают наоборот фотодиодам , которые преобразуют свет в электричество.
Электролюминесценция как явление была открыта в 1907 году английским экспериментатором Г. Дж. Раундом из Marconi Labs с использованием кристалла карбида кремния и детектора «кошачий ус» . [9] [10] Русский изобретатель Олег Лосев сообщил о создании первого светодиода в 1927 году. [11] Его исследования были опубликованы в советских, немецких и британских научных журналах, но практического использования открытие не получило в течение нескольких десятилетий, отчасти из-за очень неэффективных светогенерирующих свойств карбида кремния, полупроводника, который использовал Лосев. [12] [13]
В 1936 году Жорж Дестрио заметил, что электролюминесценция может быть получена, если порошок сульфида цинка (ZnS) взвешен в изоляторе и к нему приложено переменное электрическое поле. В своих публикациях Дестрио часто называл люминесценцию светом Лосева. Дестрио работал в лабораториях мадам Марии Кюри , также одного из первых пионеров в области люминесценции, исследовавшей радий . [14] [15]
Венгр Золтан Бей совместно с Дьёрдем Сигети запатентовали в Венгрии в 1939 году осветительное устройство на основе карбида кремния с опцией на основе карбида бора, которое излучало белый, желтовато-белый или зеленовато-белый цвет в зависимости от присутствующих примесей. [16] Курт Леховец , Карл Аккардо и Эдвард Джамгочян объяснили эти первые светодиоды в 1951 году, используя аппарат, использующий кристаллы SiC с источником тока в виде батареи или импульсного генератора, и сравнив с вариантом, чистым кристаллом в 1953 году. [17] [18]
Рубин Браунштейн [19] из Radio Corporation of America сообщил об инфракрасном излучении арсенида галлия (GaAs) и других полупроводниковых сплавов в 1955 году . [20] Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простыми диодными структурами с использованием антимонида галлия (GaSb), GaAs, фосфида индия (InP) и сплавов кремния-германия (SiGe) при комнатной температуре и при 77 градусах Кельвина . В 1957 году Браунштейн далее продемонстрировал, что элементарные устройства могут использоваться для нерадиосвязи на коротких расстояниях. Как отметил Кремера [21], Браунштейн «…установил простую оптическую линию связи: музыка, исходящая из проигрывателя, использовалась с помощью подходящей электроники для модуляции прямого тока диода GaAs. Излучаемый свет обнаруживался диодом PbS на некотором расстоянии. Этот сигнал подавался в аудиоусилитель и воспроизводился громкоговорителем. Перехват луча останавливал музыку. Мы получили огромное удовольствие, играя с этой установкой».
В сентябре 1961 года, работая в Texas Instruments в Далласе , штат Техас , Джеймс Р. Биард и Гэри Питтман обнаружили излучение света в ближнем инфракрасном диапазоне (900 нм) из туннельного диода, который они сконструировали на подложке из GaAs. [7] К октябрю 1961 года они продемонстрировали эффективное излучение света и связь сигнала между излучателем света на основе p-n-перехода GaAs и электрически изолированным полупроводниковым фотодетектором. [22] 8 августа 1962 года Биард и Питтман подали патент под названием «Полупроводниковый излучающий диод», основанный на их открытиях, в котором описывался светодиод на основе p-n-перехода с диффузным цинком и разнесенным катодным контактом, что позволяло эффективно излучать инфракрасный свет при прямом смещении .
После установления приоритета их работы на основе инженерных блокнотов, предшествовавших заявкам от GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs и Lincoln Lab в MIT , патентное ведомство США выдало двум изобретателям патент на инфракрасный светодиод GaAs (патент США US3293513), первый практический светодиод. [7] Сразу после подачи патента Texas Instruments (TI) начала проект по производству инфракрасных диодов. В октябре 1962 года TI анонсировала первый коммерческий светодиодный продукт (SNX-100), в котором использовался чистый кристалл GaAs для излучения светового потока 890 нм. [7] В октябре 1963 года TI анонсировала первый коммерческий полусферический светодиод, SNX-110. [23]
В 1960-х годах несколько лабораторий сосредоточились на светодиодах, которые излучали бы видимый свет. Особенно важное устройство было продемонстрировано Ником Холоньяком 9 октября 1962 года, когда он работал в General Electric в Сиракузах, штат Нью-Йорк . Устройство использовало полупроводниковый сплав фосфид арсенид галлия (GaAsP). Это был первый полупроводниковый лазер, излучавший видимый свет, хотя и при низких температурах. При комнатной температуре он все еще функционировал как красный светодиод. GaAsP был основой для первой волны коммерческих светодиодов, излучающих видимый свет. Он производился массово компаниями Monsanto и Hewlett-Packard и широко использовался для дисплеев в калькуляторах и наручных часах. [24] [25] [26]
М. Джордж Крафорд [27] , бывший аспирант Холоньяка, изобрел первый желтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз в 1972 году. [28] В 1976 году Т. П. Пирсолл разработал первые сверхъяркие и высокоэффективные светодиоды для оптоволоконной связи, изобретя новые полупроводниковые материалы, специально адаптированные к длинам волн передачи по оптоволокну. [29]
До 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды были чрезвычайно дорогими, порядка 200 долларов США за единицу, и поэтому имели мало практического применения. [30] Первые коммерческие светодиоды видимой длины волны использовали полупроводники GaAsP и широко использовались в качестве замены лампам накаливания и неоновым индикаторным лампам , а также в семисегментных дисплеях , сначала в дорогостоящем оборудовании, таком как лабораторное и испытательное электронное оборудование, а затем в таких приборах, как калькуляторы, телевизоры, радиоприемники, телефоны, а также часы. [31]
Компания Hewlett-Packard (HP) занималась исследованиями и разработками (НИОКР) практических светодиодов в период с 1962 по 1968 год исследовательской группой под руководством Говарда К. Бордена, Джеральда П. Пигини в HP Associates и HP Labs . [32] В это время HP сотрудничала с Monsanto Company в разработке первых пригодных для использования светодиодных продуктов. [33] Первыми пригодными для использования светодиодными продуктами были светодиодный дисплей HP и светодиодная индикаторная лампа Monsanto , оба выпущенные в 1968 году. [33]
Monsanto была первой организацией, которая начала массовое производство видимых светодиодов, используя арсенид-фосфид галлия (GaAsP) в 1968 году для производства красных светодиодов, подходящих для индикаторов. [30] Ранее Monsanto предлагала HP поставлять GaAsP, но HP решила выращивать свой собственный GaAsP. [30] В феврале 1969 года Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP Model 5082-7000, первое светодиодное устройство, использующее технологию интегральной схемы (интегрированная светодиодная схема ). [32] Это был первый интеллектуальный светодиодный дисплей, и он стал революцией в технологии цифровых дисплеев , заменив газоразрядную лампу и став основой для более поздних светодиодных дисплеев. [34]
В 1970-х годах коммерчески успешные светодиодные устройства по цене менее пяти центов каждое были произведены Fairchild Optoelectronics. Эти устройства использовали составные полупроводниковые чипы, изготовленные с помощью планарного процесса (разработанного Жаном Эрни , [35] [36] ). Сочетание планарной обработки для изготовления чипов и инновационных методов упаковки позволило команде Fairchild во главе с пионером оптоэлектроники Томасом Брандтом добиться необходимого снижения затрат. [37] Производители светодиодов продолжали использовать эти методы примерно с 2009 года. [38]
Первые красные светодиоды были достаточно яркими для использования в качестве индикаторов, поскольку световой поток был недостаточен для освещения области. Показания в калькуляторах были настолько малы, что для того, чтобы сделать их читаемыми, над каждой цифрой устанавливались пластиковые линзы. Позже другие цвета стали широко доступны и появились в приборах и оборудовании.
Ранние светодиоды были упакованы в металлические корпуса, похожие на корпуса транзисторов, со стеклянным окном или линзой для выхода света. Современные индикаторные светодиоды упакованы в прозрачные формованные пластиковые корпуса, трубчатые или прямоугольные по форме, и часто тонированы в соответствии с цветом устройства. Инфракрасные устройства могут быть окрашены, чтобы блокировать видимый свет. Более сложные корпуса были адаптированы для эффективного рассеивания тепла в мощных светодиодах. Светодиоды поверхностного монтажа еще больше уменьшают размер корпуса. Светодиоды, предназначенные для использования с оптоволоконными кабелями, могут быть снабжены оптическим разъемом.
Первый сине -фиолетовый светодиод с использованием нитрида галлия , легированного магнием, был создан в Стэнфордском университете в 1972 году докторантами в области материаловедения и инженерии Хербом Маруской и Уолли Райнсом . [39] [40] В то время Маруска был в отпуске в RCA Laboratories , где он сотрудничал с Жаком Панковым по смежной работе. В 1971 году, через год после того, как Маруска уехал в Стэнфорд, его коллеги из RCA Панков и Эд Миллер продемонстрировали первую синюю электролюминесценцию из нитрида галлия, легированного цинком, хотя последующее устройство, построенное Панковым и Миллером, первый настоящий светодиод на основе нитрида галлия, излучал зеленый свет. [41] [42]
В 1974 году Патентное ведомство США выдало Маруске, Райнсу и профессору Стэнфорда Дэвиду Стивенсону патент на их работу в 1972 году (патент США US3819974 A). Сегодня легирование нитрида галлия магнием остается основой для всех коммерческих синих светодиодов и лазерных диодов . В начале 1970-х годов эти устройства были слишком тусклыми для практического использования, и исследования устройств на основе нитрида галлия замедлились.
В августе 1989 года компания Cree представила первый коммерчески доступный синий светодиод на основе непрямозонного полупроводника, карбида кремния (SiC). [43] Светодиоды SiC имели очень низкую эффективность, не более 0,03%, но излучали в синей части видимого спектра света. [44] [45]
В конце 1980-х годов ключевые прорывы в эпитаксиальном росте GaN и легировании p-типа [46] открыли современную эру оптоэлектронных устройств на основе GaN. Опираясь на эту основу, Теодор Мустакас из Бостонского университета в 1991 году запатентовал метод производства синих светодиодов высокой яркости с использованием нового двухэтапного процесса. [47] В 2015 году суд США постановил, что три тайваньские компании нарушили предыдущий патент Мустакаса, и обязал их выплатить лицензионные сборы в размере не менее 13 миллионов долларов США. [48]
Два года спустя, в 1993 году, синие светодиоды высокой яркости были продемонстрированы Сюдзи Накамурой из корпорации Nichia с использованием процесса выращивания нитрида галлия (GaN). [49] [50] [51] Эти светодиоды имели эффективность 10%. [52] Параллельно с этим Исаму Акасаки и Хироши Амано из Университета Нагои работали над разработкой важного осаждения GaN на сапфировые подложки и демонстрацией легирования GaN p-типа . Эта новая разработка произвела революцию в светодиодном освещении, сделав высокомощные источники синего света практичными, что привело к разработке таких технологий, как Blu-ray . [53] [54]
За свое изобретение Накамура был награжден Премией тысячелетия в области технологий 2006 года. [55] Накамура, Хироши Амано и Исаму Акасаки были удостоены Нобелевской премии по физике в 2014 году за «изобретение эффективных синих светодиодов, которые сделали возможными яркие и энергосберегающие источники белого света». [56]
В 1995 году Альберто Барбьери из лаборатории Кардиффского университета (Великобритания) исследовал эффективность и надежность сверхъярких светодиодов и продемонстрировал светодиод с «прозрачным контактом», использующий оксид индия и олова (ITO) на (AlGaInP/GaAs).
В 2001 [57] и 2002 [58] были успешно продемонстрированы процессы выращивания светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) на кремнии . В январе 2012 года Osram продемонстрировала мощные светодиоды InGaN, выращенные на кремниевых подложках, в коммерческих целях, [59] а светодиоды GaN-на-кремнии производятся на заводе Plessey Semiconductors . По состоянию на 2017 год некоторые производители используют SiC в качестве подложки для производства светодиодов, но сапфир более распространен, так как он имеет наиболее схожие свойства со свойствами нитрида галлия, что снижает необходимость в формировании рисунка на сапфировой пластине (образцовые пластины известны как эпитаксиальные пластины). Samsung , Кембриджский университет и Toshiba проводят исследования светодиодов GaN на Si.
Toshiba прекратила исследования, возможно, из-за низкого выхода продукции. [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] Некоторые выбирают эпитаксию , которая сложна для кремния , в то время как другие, как Кембриджский университет, выбирают многослойную структуру, чтобы уменьшить несоответствие (кристаллической) решетки и различные коэффициенты теплового расширения, чтобы избежать растрескивания светодиодного чипа при высоких температурах (например, во время производства), уменьшить выделение тепла и увеличить световую эффективность. Формирование рисунка на сапфировой подложке может быть выполнено с помощью наноимпринтной литографии . [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73]
GaN-on-Si — это сложно, но желательно, поскольку это использует существующую инфраструктуру производства полупроводников. Это позволяет производить упаковку светодиодных кристаллов на уровне пластины, что приводит к чрезвычайно малым светодиодным корпусам. [74]
GaN часто осаждают с помощью эпитаксии из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) [75] , а также методом подъема .
Хотя белый свет может быть создан с использованием отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, это приводит к плохой цветопередаче , поскольку излучаются только три узких полосы длин волн света. Достижение высокой эффективности синих светодиодов быстро сопровождалось разработкой первого белого светодиода. В этом устройстве Y
3Эл
5О
12:Ce (известный как " YAG " или Ce:YAG фосфор) церий -легированное фосфорное покрытие производит желтый свет посредством флуоресценции . Сочетание этого желтого с оставшимся синим светом кажется глазу белым. Использование различных фосфоров производит зеленый и красный свет посредством флуоресценции. Полученная смесь красного, зеленого и синего воспринимается как белый свет с улучшенной цветопередачей по сравнению с длинами волн от комбинации синего светодиода/YAG фосфора. [76]
Первые белые светодиоды были дорогими и неэффективными. Затем световой поток увеличивался экспоненциально . Последние исследования и разработки были распространены японскими производителями, такими как Panasonic и Nichia , а также корейскими и китайскими производителями, такими как Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol и другими. Эта тенденция увеличения выходного сигнала была названа законом Хайтца в честь Роланда Хайтца. [77] [78]
Световой поток и эффективность синих и ближнеультрафиолетовых светодиодов возросли, а стоимость надежных устройств упала. Это привело к появлению относительно мощных светодиодов белого света для освещения, которые заменяют лампы накаливания и люминесцентное освещение. [79] [80]
Экспериментальные белые светодиоды были продемонстрированы в 2014 году для производства 303 люменов на ватт электроэнергии (лм/Вт); некоторые могут работать до 100 000 часов. [81] [82] Коммерчески доступные светодиоды имеют эффективность до 223 лм/Вт по состоянию на 2018 год. [83] [84] [85] Предыдущий рекорд в 135 лм/Вт был достигнут Nichia в 2010 году. [86] По сравнению с лампами накаливания, это огромный рост электрической эффективности, и хотя светодиоды дороже при покупке, общая стоимость срока службы значительно ниже, чем у ламп накаливания. [87]
Светодиодный чип инкапсулирован внутри небольшой пластиковой белой формы [88] [89], хотя иногда светодиодный корпус может включать отражатель. [90] Он может быть инкапсулирован с использованием смолы ( на основе полиуретана ), силикона [91] [92] [93] или эпоксидной смолы [94] , содержащей (порошкообразные) частицы фосфора YAG, легированного церием. [95] Вязкость фосфорно-кремниевых смесей должна тщательно контролироваться. [95] После нанесения фосфорно-кремниевой смеси на светодиод с использованием таких методов, как струйное дозирование [96] и испарения растворителей, светодиоды часто тестируются и помещаются на ленты для оборудования для размещения SMT для использования в производстве светодиодных лампочек. Некоторые светодиодные лампы с «удалённым фосфором» используют одну пластиковую крышку с фосфором YAG для одного [97] или нескольких синих светодиодов вместо использования фосфорных покрытий на белых светодиодах с одним чипом. [98] Ce:YAG люминофоры и эпоксидная смола в светодиодах [99] могут деградировать при использовании, и это становится более очевидным при более высоких концентрациях Ce:YAG в смесях люминофора и силикона, поскольку Ce:YAG разлагается при использовании. [100] [101] [102]
Выход светодиодов может с течением времени смещаться в сторону желтого из-за деградации силикона. [92] Существует несколько вариантов Ce:YAG, и производители во многих случаях не раскрывают точный состав своих предложений Ce:YAG. [103] Для светодиодов с преобразованием фосфора доступно несколько других люминофоров для получения нескольких цветов, таких как красный, который использует нитросиликатные люминофоры, [104] [105] и существует много других видов люминофорных материалов для светодиодов, таких как люминофоры на основе оксидов, оксинитридов, оксигалогенидов, галогенидов, нитридов, сульфидов, квантовых точек и неорганико-органических гибридных полупроводников. Один светодиод может иметь несколько люминофоров одновременно. [96] [106] Некоторые светодиоды используют люминофоры, изготовленные из стеклокерамических или композитных люминофорных/стеклянных материалов. [107] [108] В качестве альтернативы сами светодиодные чипы могут быть покрыты тонким слоем люминосодержащего материала, называемого конформным покрытием. [109] [110]
Температура люминофора во время работы и способ его применения ограничивают размер кристалла светодиода. Белые светодиоды , упакованные на уровне пластины, позволяют использовать светодиоды чрезвычайно малого размера. [74]
В 2024 году QPixel представил полихроматический светодиод, который может заменить 3-субпиксельную модель для цифровых дисплеев. Технология использует полупроводник из нитрида галлия , который излучает свет разных частот, модулируемый изменениями напряжения. Прототип дисплея достиг разрешения 6800 PPI или 3k x 1,5k пикселей. [111]
В светодиоде рекомбинация электронов и электронных дырок в полупроводнике производит свет (будь то инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый), процесс, называемый « электролюминесценцией ». Длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны используемых полупроводников. Поскольку эти материалы имеют высокий показатель преломления, для эффективного излучения света требуются конструктивные особенности устройств, такие как специальные оптические покрытия и форма кристалла. [112]
В отличие от лазера , свет, излучаемый светодиодом, не является ни спектрально когерентным , ни даже высоко монохроматичным . Его спектр достаточно узкий, чтобы он казался человеческому глазу чистым ( насыщенным ) цветом. [113] [114] Также в отличие от большинства лазеров, его излучение не является пространственно когерентным , поэтому оно не может приблизиться к очень высокой интенсивности, характерной для лазеров .
Выбирая различные полупроводниковые материалы , можно изготовить одноцветные светодиоды, которые излучают свет в узкой полосе длин волн от ближнего инфракрасного через видимый спектр и в ультрафиолетовый диапазон. Требуемые рабочие напряжения светодиодов увеличиваются по мере того, как излучаемые длины волн становятся короче (более высокая энергия, от красного до синего) из-за увеличения ширины запрещенной зоны полупроводника.
Синие светодиоды имеют активную область, состоящую из одной или нескольких квантовых ям InGaN , зажатых между более толстыми слоями GaN, называемыми слоями оболочки. Изменяя относительную долю In/Ga в квантовых ямах InGaN, теоретически можно изменять световое излучение от фиолетового до янтарного.
Нитрид галлия алюминия (AlGaN) с различной долей Al/Ga может использоваться для изготовления оболочек и слоев квантовых ям для ультрафиолетовых светодиодов, но эти устройства еще не достигли уровня эффективности и технологической зрелости сине-зеленых устройств InGaN/GaN. Если в этом случае для формирования активных слоев квантовых ям используется нелегированный GaN, устройство излучает свет, близкий к ультрафиолетовому, с пиковой длиной волны, сосредоточенной около 365 нм. Зеленые светодиоды, изготовленные из системы InGaN/GaN, намного эффективнее и ярче зеленых светодиодов, изготовленных из ненитридных систем материалов, но практические устройства все еще демонстрируют слишком низкую эффективность для приложений с высокой яркостью. [ необходима цитата ]
С AlGaN и AlGaInN достижимы даже более короткие длины волн. Излучатели ближнего УФ-диапазона с длинами волн около 360–395 нм уже дешевы и часто встречаются, например, в качестве замены ламп черного света для проверки поддельных УФ -водяных знаков на документах и банкнотах, а также для УФ-отверждения . Значительно более дорогие, более коротковолновые диоды коммерчески доступны для длин волн до 240 нм. [115] Поскольку светочувствительность микроорганизмов приблизительно соответствует спектру поглощения ДНК с пиком около 260 нм, УФ-светодиоды, излучающие на длине волны 250–270 нм, ожидаются в перспективных устройствах для дезинфекции и стерилизации. Недавние исследования показали, что коммерчески доступные УФА-светодиоды (365 нм) уже являются эффективными устройствами для дезинфекции и стерилизации. [116] Длины волн УФ-С были получены в лабораториях с использованием нитрида алюминия (210 нм), [117] нитрида бора (215 нм) [118] [119] и алмаза (235 нм). [120]
Существует два основных способа производства белых светодиодов. Один из них заключается в использовании отдельных светодиодов, которые излучают три основных цвета — красный, зеленый и синий, — а затем смешивают все цвета для получения белого света. Другой способ заключается в использовании фосфорного материала для преобразования монохроматического света от синего или УФ-светодиода в белый свет широкого спектра, похожий на свет люминесцентной лампы . Желтый фосфор — это кристаллы YAG, легированные церием , подвешенные в корпусе или нанесенные на светодиод. Этот фосфор YAG заставляет белые светодиоды казаться желтыми в выключенном состоянии, а пространство между кристаллами позволяет проходить некоторому количеству синего света в светодиодах с частичным преобразованием фосфора. В качестве альтернативы белые светодиоды могут использовать другие фосфоры, такие как фторосиликат калия , легированный марганцем (IV) (PFS), или другие разработанные фосфоры. PFS помогает в генерации красного света и используется в сочетании с обычным фосфором Ce:YAG.
В светодиодах с фосфором PFS часть синего света проходит через фосфоры, фосфор Ce:YAG преобразует синий свет в зеленый и красный (желтый) свет, а фосфор PFS преобразует синий свет в красный свет. Цвет, спектр излучения или цветовую температуру светодиодов с белым фосфором и других фосфорных преобразователей можно контролировать, изменяя концентрацию нескольких фосфоров, которые образуют фосфорную смесь, используемую в корпусе светодиода. [121] [122] [123] [124]
«Белизна» производимого света спроектирована так, чтобы соответствовать человеческому глазу. Из-за метамерии возможно иметь совершенно разные спектры, которые кажутся белыми. Внешний вид объектов, освещенных этим светом, может меняться по мере изменения спектра. Это проблема цветопередачи, совершенно отдельная от цветовой температуры. Оранжевый или голубой объект может выглядеть с неправильным цветом и намного темнее, поскольку светодиод или люминофор не излучают ту длину волны, которую он отражает. Лучшие светодиоды цветопередачи используют смесь люминофоров, что приводит к меньшей эффективности и лучшей цветопередаче. [ необходима цитата ]
Первые белые светодиоды (СИД) поступили в продажу осенью 1996 года. [125] Nichia изготовила некоторые из первых белых светодиодов, которые были основаны на синих светодиодах с фосфором Ce:YAG. [126] Ce:YAG часто выращивают с использованием метода Чохральского . [127]
Смешивание красного, зеленого и синего источников для получения белого света требует электронных схем для управления смешиванием цветов. Поскольку светодиоды имеют немного разные модели излучения, цветовой баланс может меняться в зависимости от угла зрения, даже если источники RGB находятся в одном корпусе, поэтому RGB-диоды редко используются для получения белого света. Тем не менее, этот метод имеет много применений из-за гибкости смешивания разных цветов, [128] и в принципе, этот механизм также имеет более высокую квантовую эффективность при получении белого света. [129]
Существует несколько типов многоцветных белых светодиодов: ди-, три- и тетрахроматические белые светодиоды. Несколько ключевых факторов, которые играют роль среди этих различных методов, включают цветовую стабильность, способность цветопередачи и световую эффективность. Часто более высокая эффективность означает более низкую цветопередачу, представляя собой компромисс между световой эффективностью и цветопередачей. Например, дихроматические белые светодиоды имеют лучшую световую эффективность (120 лм/Вт), но самую низкую цветопередачу. Хотя тетрахроматические белые светодиоды имеют превосходную цветопередачу, они часто имеют плохую световую эффективность. Трихроматические белые светодиоды находятся посередине, имея как хорошую световую эффективность (>70 лм/Вт), так и хорошую цветопередачу. [130]
Одной из проблем является разработка более эффективных зеленых светодиодов. Теоретический максимум для зеленых светодиодов составляет 683 люмен на ватт, но по состоянию на 2010 год лишь немногие зеленые светодиоды превышают даже 100 люмен на ватт. Синие и красные светодиоды приближаются к своим теоретическим пределам. [ необходима цитата ]
Многоцветные светодиоды предлагают средство для формирования света разных цветов. Большинство воспринимаемых цветов можно получить путем смешивания различных количеств трех основных цветов. Это позволяет осуществлять точный динамический контроль цвета. Их мощность излучения экспоненциально уменьшается с ростом температуры, [131] что приводит к существенному изменению стабильности цвета. Такие проблемы препятствуют промышленному использованию. Многоцветные светодиоды без люминофоров не могут обеспечить хорошую цветопередачу, поскольку каждый светодиод является узкополосным источником. Светодиоды без люминофора, хотя и являются худшим решением для общего освещения, являются лучшим решением для дисплеев, как для подсветки ЖК-дисплеев, так и для прямых светодиодных пикселей.
Затемнение многоцветного светодиодного источника для соответствия характеристикам ламп накаливания затруднено, поскольку производственные изменения, возраст и температура изменяют фактическое выходное значение цвета. Для имитации внешнего вида затемнения ламп накаливания может потребоваться система обратной связи с цветовым датчиком для активного мониторинга и управления цветом. [132]
Этот метод включает покрытие светодиодов одного цвета (в основном синих светодиодов, изготовленных из InGaN ) люминофорами разных цветов для формирования белого света; полученные светодиоды называются светодиодами на основе люминофора или преобразованными люминофором белыми светодиодами (pcLED). [133] Часть синего света подвергается сдвигу Стокса, который преобразует его из более коротких длин волн в более длинные. В зависимости от исходного цвета светодиода используются различные цветные люминофоры. Использование нескольких слоев люминофора разных цветов расширяет излучаемый спектр, эффективно повышая индекс цветопередачи (CRI). [134]
Светодиоды на основе фосфора имеют потери эффективности из-за потери тепла из- за сдвига Стокса , а также других проблем, связанных с фосфором. Их световая эффективность по сравнению с обычными светодиодами зависит от спектрального распределения результирующего светового потока и исходной длины волны самого светодиода. Например, световая эффективность типичного белого светодиода на основе желтого фосфора YAG в 3–5 раз превышает световую эффективность исходного синего светодиода из-за большей чувствительности человеческого глаза к желтому цвету, чем к синему (как смоделировано в функции светимости ).
Благодаря простоте производства, фосфорный метод по-прежнему остается самым популярным методом изготовления белых светодиодов высокой интенсивности. Проектирование и производство источника света или светильника с использованием монохромного излучателя с фосфорным преобразованием проще и дешевле, чем сложная система RGB, и большинство белых светодиодов высокой интенсивности, представленных в настоящее время на рынке, производятся с использованием фосфорного преобразования света. [ необходима цитата ]
Среди проблем, с которыми приходится сталкиваться при повышении эффективности источников белого света на основе светодиодов, — разработка более эффективных люминофоров. По состоянию на 2010 год наиболее эффективным желтым люминофором по-прежнему является люминофор YAG с потерями на стоксов сдвиг менее 10%. Потери, обусловленные внутренними оптическими потерями из-за повторного поглощения в кристалле светодиода и в самой упаковке светодиода, обычно составляют еще 10–30% потери эффективности. В настоящее время в области разработки люминофорных светодиодов много усилий тратится на оптимизацию этих устройств для более высокой светоотдачи и более высоких рабочих температур. Например, эффективность можно повысить, адаптировав лучшую конструкцию упаковки или используя более подходящий тип люминофора. Процесс конформного покрытия часто используется для решения проблемы различной толщины люминофора. [ необходима цитата ]
Некоторые белые светодиоды на основе фосфора инкапсулируют синие светодиоды InGaN внутри покрытой фосфором эпоксидной смолы. В качестве альтернативы светодиод может быть соединен с удаленным фосфором, предварительно сформированной поликарбонатной деталью, покрытой фосфорным материалом. Удаленные фосфоры обеспечивают более рассеянный свет, что желательно для многих приложений. Конструкции удаленного фосфора также более терпимы к изменениям в спектре излучения светодиода. Распространенным желтым фосфорным материалом является иттрий - алюминиевый гранат, легированный церием (Ce 3+ :YAG). [ необходима цитата ]
Белые светодиоды также могут быть изготовлены путем покрытия светодиодов ближнего ультрафиолетового (NUV) диапазона смесью высокоэффективных люминофоров на основе европия , которые излучают красный и синий цвет, а также сульфида цинка, легированного медью и алюминием (ZnS:Cu, Al), который излучает зеленый цвет. Это метод, аналогичный принципу работы люминесцентных ламп . Этот метод менее эффективен, чем синие светодиоды с люминофором YAG:Ce, поскольку сдвиг Стокса больше, поэтому больше энергии преобразуется в тепло, но дает свет с лучшими спектральными характеристиками, которые лучше передают цвет. Из-за более высокой выходной мощности ультрафиолетовых светодиодов, чем синих, оба метода обеспечивают сопоставимую яркость. Существует опасение, что ультрафиолетовый свет может просачиваться из неисправного источника света и причинять вред человеческим глазам или коже. [ необходима цитата ]
Новый тип пластин, состоящий из нитрида галлия на кремнии (GaN-на-Si), используется для производства белых светодиодов с использованием 200-миллиметровых кремниевых пластин. Это позволяет избежать типичной дорогостоящей сапфировой подложки в относительно небольших размерах пластин 100 или 150 мм. [135] Сапфировый аппарат должен быть соединен с зеркальным коллектором для отражения света, который в противном случае был бы потрачен впустую. Было предсказано, что с 2020 года 40% всех светодиодов GaN будут изготавливаться с использованием GaN-на-Si. Производство большого сапфирового материала затруднено, в то время как большой кремниевый материал дешевле и более распространен. Компании, производящие светодиоды, переходят с использования сапфира на кремний, что должно быть минимальными инвестициями. [136]
На рынке есть светодиоды RGBW, которые объединяют блоки RGB с фосфорным белым светодиодом. Это сохраняет чрезвычайно настраиваемый цвет светодиода RGB, но позволяет оптимизировать цветопередачу и эффективность при выборе цвета, близкого к белому. [137]
Некоторые фосфорные белые светодиодные блоки являются «настраиваемыми белыми», смешивая две крайности цветовых температур (обычно 2700K и 6500K) для получения промежуточных значений. Эта функция позволяет пользователям изменять освещение в соответствии с текущим использованием многофункционального помещения. [138] Как показано прямой линией на диаграмме цветности, простые двухбелые смеси будут иметь розовый уклон, становясь наиболее сильным в середине. Небольшое количество зеленого света, обеспечиваемое другим светодиодом, может исправить проблему. [139] Некоторые продукты являются RGBWW, т. е. RGBW с настраиваемым белым. [140]
Последний класс белых светодиодов со смешанным светом — это диммируемый-теплый. Это обычные белые светодиодные лампы 2700K с небольшим красным светодиодом, который включается при диммировании лампы. Это делает цвет теплее, имитируя лампу накаливания. [140]
Другой метод, используемый для производства экспериментальных светодиодов белого света, не использовал люминофоры вообще и был основан на гомоэпитаксиально выращенном селениде цинка (ZnSe) на подложке ZnSe, которая одновременно излучала синий свет из своей активной области и желтый свет из подложки. [141]
В органическом светодиоде ( OLED ) электролюминесцентный материал, составляющий излучающий слой диода, представляет собой органическое соединение . Органический материал является электропроводящим из-за делокализации пи-электронов, вызванной сопряжением по всей молекуле или ее части, и поэтому материал функционирует как органический полупроводник . [142] Органические материалы могут быть небольшими органическими молекулами в кристаллической фазе или полимерами . [143]
Потенциальные преимущества OLED включают тонкие, недорогие дисплеи с низким напряжением возбуждения, широким углом обзора, высокой контрастностью и цветовой гаммой . [144] Полимерные светодиоды имеют дополнительное преимущество в виде печатных и гибких дисплеев. [145] [146] [147] OLED использовались для создания визуальных дисплеев для портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, цифровые камеры, осветительные приборы и телевизоры. [143] [144]
Светодиоды изготавливаются в различных корпусах для различных применений. Один или несколько светодиодных переходов могут быть упакованы в одно миниатюрное устройство для использования в качестве индикатора или контрольной лампы. Светодиодная матрица может включать в себя управляющие цепи в одном корпусе, которые могут варьироваться от простого резистора , мигающего или изменяющего цвет управления или адресуемого контроллера для устройств RGB. Более мощные устройства с белым излучением будут установлены на радиаторах и будут использоваться для освещения. Широко доступны буквенно-цифровые дисплеи в формате точечной матрицы или линейки. Специальные корпуса позволяют подключать светодиоды к оптоволокну для высокоскоростных каналов передачи данных.
В основном это однокристальные светодиоды, используемые в качестве индикаторов, и они выпускаются в различных размерах от 1,8 мм до 10 мм, в корпусах для сквозного и поверхностного монтажа . [148] Типичные значения тока варьируются от 1 мА до более 20 мА. Светодиоды можно припаять к гибкой полосе печатной платы, чтобы сформировать светодиодную ленту, которая широко используется для декора.
Распространенные формы корпуса включают круглую, с куполообразной или плоской вершиной, прямоугольную с плоской вершиной (как используется в дисплеях с гистограммами), а также треугольную или квадратную с плоской вершиной. Инкапсуляция также может быть прозрачной или тонированной для улучшения контрастности и угла обзора. Инфракрасные устройства могут иметь черный оттенок для блокировки видимого света при прохождении инфракрасного излучения, например, Osram SFH 4546. [149]
Светодиоды 5 В и 12 В — это обычные миниатюрные светодиоды, которые имеют последовательный резистор для прямого подключения к источнику питания 5 В или 12 В. [150]
.jpg/1280px-2007-07-24_High-power_light_emitting_diodes_(Luxeon,_Lumiled).jpg)
Светодиоды высокой мощности (HP-LED) или светодиоды высокой выходной мощности (HO-LED) могут работать при токах от сотен мА до более чем одного ампера, по сравнению с десятками мА для других светодиодов. Некоторые из них могут излучать более тысячи люменов. [151] [152] Были достигнуты плотности мощности светодиодов до 300 Вт/см 2 . Поскольку перегрев разрушителен, HP-LED должны быть установлены на радиаторе, чтобы обеспечить рассеивание тепла. Если тепло от HP-LED не отводить, устройство выйдет из строя за считанные секунды. Один HP-LED часто может заменить лампу накаливания в фонарике или быть установленным в массиве для формирования мощной светодиодной лампы .
Некоторые HP-LED в этой категории — это серии Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon и Cree X-lamp. По состоянию на сентябрь 2009 года некоторые HP-LED, произведенные Cree, превышали 105 лм/Вт. [153]
Примерами закона Хайтца , который предсказывает экспоненциальный рост светового потока и эффективности светодиодов с течением времени, являются светодиоды серии CREE XP-G, которые достигли 105 лм/Вт в 2009 году [153] и серия Nichia 19 с типичной эффективностью 140 лм/Вт, выпущенная в 2010 году. [154]
Светодиоды, разработанные Seoul Semiconductor, могут работать от сети переменного тока без преобразователя постоянного тока. В течение каждого полупериода часть светодиода излучает свет, а часть темнеет, и это меняется на противоположное в течение следующего полупериода. Эффективность этого типа HP-LED обычно составляет 40 лм/Вт. [155] Большое количество светодиодных элементов в ряд может работать непосредственно от сетевого напряжения. В 2009 году Seoul Semiconductor выпустила светодиод высокого постоянного напряжения, названный «Acrich MJT», способный работать от сети переменного тока с помощью простой схемы управления. Низкое рассеивание мощности этих светодиодов обеспечивает им большую гибкость, чем оригинальная конструкция светодиода переменного тока. [156]
.jpg/1280px-Passenger_Experience_Week_2018,_Hamburg_(1X7A3748).jpg)
Светодиодная лента , лента или ленточный светильник — это гибкая печатная плата, заполненная светодиодами поверхностного монтажа (SMD-светодиодами) и другими компонентами, которые обычно поставляются с клейкой основой. Традиционно светодиодные ленты использовались исключительно в акцентном освещении, подсветке, рабочем освещении и декоративном освещении, таком как освещение карнизов .
Светодиодные ленты появились в начале 2000-х годов. С тех пор возросшая световая эффективность и более мощные SMD-детали позволили использовать их в таких областях, как яркое рабочее освещение, замена люминесцентных и галогенных светильников, непрямое освещение, ультрафиолетовый контроль в ходе производственных процессов, дизайн декораций и костюмов, а также выращивание растений.
Ток в светодиоде или других диодах растет экспоненциально с приложенным напряжением (см. уравнение диода Шокли ), поэтому небольшое изменение напряжения может вызвать большое изменение тока. Ток через светодиод должен регулироваться внешней цепью, такой как источник постоянного тока, чтобы предотвратить повреждение. Поскольку большинство распространенных источников питания являются (почти) источниками постоянного напряжения, светодиодные светильники должны включать преобразователь мощности или, по крайней мере, резистор ограничения тока. В некоторых приложениях внутреннее сопротивление небольших батареек достаточно для поддержания тока в пределах номинала светодиода. [ необходима цитата ]
Светодиоды чувствительны к напряжению. Они должны быть снабжены напряжением выше их порогового напряжения и током ниже их номинала. Ток и срок службы сильно изменяются при небольшом изменении приложенного напряжения. Таким образом, они требуют источника питания с регулировкой тока (обычно просто последовательного резистора для индикаторных светодиодов). [166]
Падение эффективности : эффективность светодиодов снижается по мере увеличения электрического тока . Нагрев также увеличивается с более высокими токами, что ставит под угрозу срок службы светодиодов. Эти эффекты накладывают практические ограничения на ток через светодиод в мощных приложениях. [167]
В отличие от традиционной лампы накаливания, светодиод будет светиться только тогда, когда напряжение подается в прямом направлении диода. Ток не течет и свет не излучается, если напряжение подается в обратном направлении. Если обратное напряжение превышает напряжение пробоя , которое обычно составляет около пяти вольт, течет большой ток, и светодиод будет поврежден. Если обратный ток достаточно ограничен, чтобы избежать повреждения, светодиод с обратной проводимостью является полезным шумовым диодом . [ требуется цитата ]
По определению, ширина запрещенной зоны любого диода больше при обратном смещении, чем при прямом смещении. Поскольку энергия запрещенной зоны определяет длину волны излучаемого света, цвет не может быть таким же при обратном смещении. Обратное напряжение пробоя достаточно высоко, чтобы излучаемая длина волны не могла быть достаточно схожей, чтобы быть видимой. Хотя существуют двухцветные светодиодные корпуса, которые содержат светодиоды разного цвета в каждом направлении, не ожидается, что какой-либо одиночный светодиодный элемент может излучать видимый свет при обратном смещении. [ необходима цитата ]
Неизвестно, существует ли какой-либо стабилитрон, который излучает свет только в режиме обратного смещения. Уникально, что этот тип светодиода будет проводить ток при обратном подключении.
Производство светодиодов включает несколько этапов, включая эпитаксию, обработку кристаллов, разделение кристаллов и упаковку. [177]
В типичном процессе производства светодиодов инкапсуляция выполняется после зондирования, резки, переноса кристалла с пластины на корпус и соединения проводов или монтажа перевернутого кристалла [178] , возможно, с использованием оксида индия и олова , прозрачного электрического проводника. В этом случае соединительный провод(а) крепятся к пленке ITO, которая была нанесена на светодиоды.
Схема перевернутого кристалла на плате (COB) — это технология, которую можно использовать для производства светодиодов. [179]
Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов . В следующей таблице показаны доступные цвета с диапазоном длин волн, падением напряжения и материалом:
Применение светодиодов можно разделить на пять основных категорий:
Применение светодиодов в садоводстве произвело революцию в выращивании растений, предоставив энергоэффективные, настраиваемые решения для освещения, которые оптимизируют рост и развитие растений. [192] Светодиоды обеспечивают точный контроль над спектрами света, интенсивностью и фотопериодами, позволяя производителям адаптировать условия освещения к конкретным потребностям различных видов растений и стадиям роста. Эта технология усиливает фотосинтез, повышает урожайность и снижает затраты на электроэнергию по сравнению с традиционными системами освещения. Кроме того, светодиоды выделяют меньше тепла, что позволяет размещать их ближе к растениям без риска теплового повреждения и способствуют устойчивым методам ведения сельского хозяйства за счет снижения выбросов углерода и продления вегетационного периода в контролируемых условиях. [193] Спектр света влияет на рост, профиль метаболитов и устойчивость к грибковым фитопатогенам рассады Solanum lycopersicum . [194] Светодиоды также можно использовать в микроразмножении . [195]
Низкое потребление энергии , низкие эксплуатационные расходы и небольшой размер светодиодов привели к их использованию в качестве индикаторов состояния и дисплеев на различном оборудовании и установках. Светодиодные дисплеи большой площади используются в качестве дисплеев на стадионах, динамических декоративных дисплеев и динамических информационных знаков на автомагистралях. Тонкие, легкие информационные дисплеи используются в аэропортах и на железнодорожных станциях, а также в качестве дисплеев назначения для поездов, автобусов, трамваев и паромов.
Одноцветный свет хорошо подходит для светофоров и сигналов, указателей выхода , аварийного освещения транспортных средств , навигационных огней судов и светодиодных рождественских огней.
Благодаря своему долгому сроку службы, быстрому времени переключения и видимости при дневном свете благодаря высокой выходной мощности и фокусировке светодиоды используются в автомобильных стоп-сигналах и поворотниках. Использование в тормозах повышает безопасность из-за значительного сокращения времени, необходимого для полного включения, или более быстрого времени нарастания, примерно на 0,1 секунды быстрее [ требуется ссылка ] чем у лампы накаливания. Это дает водителям сзади больше времени для реакции. В схеме с двойной интенсивностью (задние габаритные огни и тормоза), если светодиоды не пульсируют с достаточно высокой частотой, они могут создавать фантомный массив , где появляются фантомные изображения светодиода, если глаза быстро сканируют массив. Начинают появляться белые светодиодные фары. Использование светодиодов имеет преимущества в стиле, поскольку светодиоды могут формировать гораздо более тонкие огни, чем лампы накаливания с параболическими отражателями .
Из-за относительной дешевизны светодиодов с низким выходом они также используются во многих временных целях, таких как светящиеся палочки и броски. Художники также использовали светодиоды для светодиодного искусства .
С развитием высокоэффективных и мощных светодиодов стало возможным использовать светодиоды в освещении и иллюминации. Чтобы поощрить переход на светодиодные лампы и другое высокоэффективное освещение, в 2008 году Министерство энергетики США создало конкурс L Prize . Светодиодная лампа Philips Lighting North America выиграла первый конкурс 3 августа 2011 года после успешного завершения 18 месяцев интенсивных полевых, лабораторных и продуктовых испытаний. [196]
Эффективное освещение необходимо для устойчивой архитектуры . По состоянию на 2011 год некоторые светодиодные лампы обеспечивают до 150 лм/Вт, и даже недорогие бюджетные модели обычно превышают 50 лм/Вт, так что 6-ваттный светодиод может достичь тех же результатов, что и стандартная 40-ваттная лампа накаливания. Более низкая тепловая мощность светодиодов также снижает спрос на системы кондиционирования воздуха . Во всем мире светодиоды быстро внедряются для замены менее эффективных источников, таких как лампы накаливания и КЛЛ , и снижения потребления электроэнергии и связанных с этим выбросов. Светодиоды на солнечных батареях используются в качестве уличного освещения и в архитектурном освещении .
Механическая прочность и длительный срок службы используются в автомобильном освещении на автомобилях, мотоциклах и велосипедных фарах . Светодиодные уличные фонари используются на столбах и в парковочных гаражах. В 2007 году итальянская деревня Торрака стала первым местом, где перевели уличное освещение на светодиоды. [197]
Освещение салона на последних [ когда? ] реактивных самолетах Airbus и Boeing использует светодиодное освещение. Светодиоды также используются в освещении аэропортов и вертолетных площадок. В настоящее время светодиодные светильники для аэропортов включают в себя огни средней интенсивности для взлетно-посадочной полосы, осевые огни взлетно-посадочной полосы, осевые и боковые огни рулежных дорожек, навигационные знаки и заградительное освещение.
Светодиоды также используются в качестве источника света для DLP- проекторов и для подсветки новых ЖК- телевизоров (называемых LED-телевизорами ), компьютерных мониторов (включая ноутбуки ) и ЖК-дисплеев карманных устройств, придя на смену старым ЖК-дисплеям с подсветкой CCFL , хотя их вытесняют экраны OLED . Светодиоды RGB расширяют цветовую гамму на целых 45%. Экраны для телевизоров и компьютерных дисплеев можно сделать тоньше, используя светодиоды для подсветки. [198]
Светодиоды небольшие, прочные и требуют мало энергии, поэтому их используют в портативных устройствах, таких как фонарики . Светодиодные стробоскопы или вспышки для камер работают при безопасном низком напряжении, а не при 250+ вольтах, обычно используемых в ксеноновых вспышках. Это особенно полезно в камерах мобильных телефонов , где пространство ограничено, а громоздкие схемы повышения напряжения нежелательны.
Светодиоды используются для инфракрасного освещения в системах ночного видения , включая камеры безопасности . Кольцо светодиодов вокруг видеокамеры , направленное вперед на световозвращающий фон , позволяет использовать цветовую рирпроекцию в видеопроизводстве .
Светодиоды используются в горнодобывающей промышленности в качестве колпачковых ламп для освещения шахтеров. Исследования были проведены для улучшения светодиодов для горнодобывающей промышленности, чтобы уменьшить блики и увеличить освещенность, снижая риск травмирования шахтеров. [199]
Светодиоды все чаще находят применение в медицине и образовании, например, для улучшения настроения. [200] НАСА даже спонсировало исследования по использованию светодиодов для укрепления здоровья астронавтов. [201]
Свет может использоваться для передачи данных и аналоговых сигналов. Например, белые светодиоды освещения могут использоваться в системах, помогающих людям ориентироваться в закрытых пространствах при поиске необходимых помещений или объектов. [202]
Вспомогательные устройства для прослушивания во многих театрах и подобных помещениях используют массивы инфракрасных светодиодов для отправки звука на приемники слушателей. Светодиоды (а также полупроводниковые лазеры) используются для отправки данных по многим типам оптоволоконных кабелей, от цифрового звука по кабелям TOSLINK до очень высокоскоростных оптоволоконных соединений, которые образуют магистральную сеть Интернета. Некоторое время компьютеры обычно оснащались интерфейсами IrDA , что позволяло им отправлять и получать данные на соседние машины через инфракрасный порт.
Поскольку светодиоды могут включаться и выключаться миллионы раз в секунду, можно достичь очень высокой пропускной способности данных. [203] По этой причине связь с использованием видимого света (VLC) была предложена в качестве альтернативы все более конкурентной радиочастоте. [204] VLC работает в видимой части электромагнитного спектра, поэтому данные можно передавать, не занимая частоты радиосвязи.
Системы машинного зрения часто требуют яркого и однородного освещения, поэтому интересующие объекты легче обрабатывать. Часто используются светодиоды.
Сканеры штрихкодов являются наиболее распространенным примером приложений машинного зрения, и многие из этих сканеров используют красные светодиоды вместо лазеров. Оптические компьютерные мыши используют светодиоды в качестве источника света для миниатюрной камеры внутри мыши.
Светодиоды полезны для машинного зрения, поскольку они обеспечивают компактный и надежный источник света. Светодиодные лампы можно включать и выключать в соответствии с потребностями системы зрения, а форму создаваемого луча можно настраивать в соответствии с требованиями системы.
Открытие радиационной рекомбинации в сплавах нитрида алюминия и галлия (AlGaN) Исследовательской лабораторией армии США (ARL) привело к концептуализации УФ-светоизлучающих диодов (LED), которые будут включены в датчики флуоресценции , индуцированной светом , используемые для обнаружения биологических агентов. [205] [206] [207] В 2004 году Химико-биологический центр Эджвуда (ECBC) инициировал усилия по созданию биологического детектора под названием TAC-BIO. Программа использовала полупроводниковые оптические источники УФ (SUVOS), разработанные Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) . [207]
УФ-индуцированная флуоресценция является одним из самых надежных методов, используемых для быстрого обнаружения биологических аэрозолей в реальном времени. [207] Первые УФ-датчики были лазерами, не имевшими практичности в полевых условиях. Чтобы решить эту проблему, DARPA внедрила технологию SUVOS для создания недорогого, небольшого, легкого и маломощного устройства. Время отклика детектора TAC-BIO составляло одну минуту с момента обнаружения биологического агента. Также было продемонстрировано, что детектор может работать без присмотра в помещении и на открытом воздухе в течение нескольких недель. [207]
Аэрозольные биологические частицы флуоресцируют и рассеивают свет под УФ-световым лучом. Наблюдаемая флуоресценция зависит от применяемой длины волны и биохимических флуорофоров в биологическом агенте. УФ-индуцированная флуоресценция предлагает быстрый, точный, эффективный и логистически практичный способ обнаружения биологического агента. Это связано с тем, что использование УФ-флуоресценции является безреагентным или процессом, который не требует добавления химиката для проведения реакции, без расходных материалов или не производит никаких химических побочных продуктов. [207]
Кроме того, TAC-BIO может надежно различать опасные и неопасные аэрозоли. Было заявлено, что он достаточно чувствителен для обнаружения низких концентраций, но не настолько чувствителен, чтобы вызывать ложные срабатывания. Алгоритм подсчета частиц, используемый в устройстве, преобразовывал необработанные данные в информацию, подсчитывая импульсы фотонов в единицу времени от детекторов флуоресценции и рассеяния и сравнивая значение с установленным порогом. [208]
Оригинальный TAC-BIO был представлен в 2010 году, в то время как второе поколение TAC-BIO GEN II было разработано в 2015 году, чтобы быть более экономичным, поскольку использовались пластиковые детали. Его небольшая, легкая конструкция позволяет устанавливать его на транспортные средства, роботов и беспилотные летательные аппараты. Устройство второго поколения также может использоваться в качестве детектора окружающей среды для мониторинга качества воздуха в больницах, самолетах или даже в домашних хозяйствах для обнаружения грибка и плесени. [209] [210]
Свет от светодиодов можно модулировать очень быстро, поэтому они широко используются в оптоволоконной и оптической связи в свободном пространстве . Это включает в себя пульты дистанционного управления , например, для телевизоров, где часто используются инфракрасные светодиоды. Оптоизоляторы используют светодиод в сочетании с фотодиодом или фототранзистором для обеспечения пути сигнала с электрической изоляцией между двумя цепями. Это особенно полезно в медицинском оборудовании, где сигналы от цепи датчика низкого напряжения (обычно работающего от батареи), контактирующего с живым организмом, должны быть электрически изолированы от любого возможного электрического сбоя в записывающем или контрольном устройстве, работающем при потенциально опасных напряжениях. Оптоизолятор также позволяет передавать информацию между цепями, которые не имеют общего потенциала заземления.
Многие сенсорные системы полагаются на свет как на источник сигнала. Светодиоды часто являются идеальным источником света из-за требований датчиков. Сенсорная панель Nintendo Wii использует инфракрасные светодиоды. Пульсоксиметры используют их для измерения насыщения кислородом . Некоторые планшетные сканеры используют массивы светодиодов RGB вместо типичной флуоресцентной лампы с холодным катодом в качестве источника света. Наличие независимого управления тремя цветами освещения позволяет сканеру калибровать себя для более точного цветового баланса, и нет необходимости в прогреве. Кроме того, его датчики должны быть только монохромными, поскольку в любой момент времени сканируемая страница освещается только одним цветом света.
Поскольку светодиоды также могут использоваться в качестве фотодиодов, их можно использовать как для фотоэмиссии, так и для обнаружения. Это может быть использовано, например, в сенсорном экране , который регистрирует отраженный свет от пальца или стилуса . [211] Многие материалы и биологические системы чувствительны к свету или зависят от него. Растительные лампы используют светодиоды для увеличения фотосинтеза в растениях , [212] а бактерии и вирусы могут быть удалены из воды и других веществ с помощью УФ-светодиодов для стерилизации . [116] Светодиоды определенных длин волн также использовались для светотерапии неонатальной желтухи и акне . [213]
УФ-светодиоды с диапазоном спектра от 220 нм до 395 нм имеют и другие применения, такие как очистка воды / воздуха , дезинфекция поверхностей, отверждение клея, связь в свободном пространстве вне прямой видимости , высокоэффективная жидкостная хроматография, печать с использованием УФ-отверждаемых красителей, фототерапия (295 нм витамин D , 308 нм эксимерная лампа или замена лазера), медицинское/аналитическое оборудование и поглощение ДНК. [206] [214]
Светодиоды также использовались в качестве опорного напряжения среднего качества в электронных схемах. Прямое падение напряжения (около 1,7 В для красного светодиода или 1,2 В для инфракрасного) может использоваться вместо стабилитрона в низковольтных регуляторах. Красные светодиоды имеют самую плоскую кривую I/V выше колена. Светодиоды на основе нитрида имеют довольно крутую кривую I/V и бесполезны для этой цели. Хотя прямое напряжение светодиода гораздо больше зависит от тока, чем у стабилитрона, стабилитроны с напряжением пробоя ниже 3 В не получили широкого распространения.
Прогрессивная миниатюризация низковольтных осветительных технологий, таких как светодиоды и органические светодиоды, пригодных для встраивания в материалы малой толщины, способствовала экспериментам по комбинированию источников света и поверхностей настенного покрытия для внутренних стен в виде светодиодных обоев .
Светодиодам требуется оптимизированная эффективность, зависящая от постоянных усовершенствований, таких как фосфорные материалы и квантовые точки . [215]
Процесс преобразования вниз (метод, с помощью которого материалы преобразуют более энергичные фотоны в другие, менее энергичные цвета) также нуждается в улучшении. Например, красные люминофоры, которые используются сегодня, являются термочувствительными и должны быть улучшены в этом аспекте, чтобы они не меняли цвет и не испытывали падение эффективности с температурой. Красные люминофоры также могли бы выиграть от более узкой спектральной ширины, чтобы излучать больше люменов и стать более эффективными в преобразовании фотонов. [216]
Кроме того, предстоит еще проделать работу в области снижения текущей эффективности, изменения цвета, надежности системы, распределения света, затемнения, управления температурой и производительности источника питания. [215]
Ранние подозрения были в том, что падение светодиода было вызвано повышенными температурами. Ученые показали, что температура не была основной причиной падения эффективности. [217] Механизм, вызывающий падение эффективности, был идентифицирован в 2007 году как рекомбинация Оже , которая была взята со смешанной реакцией. [167] Исследование 2013 года окончательно определило рекомбинацию Оже как причину. [218]
Новое семейство светодиодов основано на полупроводниках, называемых перовскитами . В 2018 году, менее чем через четыре года после их открытия, способность светодиодов на основе перовскита (PLED) производить свет из электронов уже конкурировала с лучшими по производительности OLED . [219] У них есть потенциал для экономической эффективности, поскольку их можно обрабатывать из раствора, недорогой и нетехнологичный метод, который может позволить изготавливать устройства на основе перовскита с большой площадью с чрезвычайно низкой стоимостью. Их эффективность выше за счет устранения неизлучательных потерь, другими словами, устранения путей рекомбинации , которые не производят фотоны; или за счет решения проблемы вывода (распространенной для тонкопленочных светодиодов) или балансировки инжекции носителей заряда для увеличения EQE (внешней квантовой эффективности). Самые современные устройства PLED преодолели барьер производительности, подняв EQE выше 20%. [220]
В 2018 году Цао и др. и Линь и др. независимо друг от друга опубликовали две статьи о разработке светодиодов на основе перовскита с EQE более 20%, что сделало эти две статьи важной вехой в развитии PLED. Их устройства имеют схожую планарную структуру, т. е. активный слой (перовскит) расположен между двумя электродами. Чтобы достичь высокого EQE, они не только уменьшили безызлучательную рекомбинацию, но и использовали свои собственные, слегка отличающиеся методы для улучшения EQE. [220]
В работе Cao et al. [ 221] исследователи сосредоточились на проблеме вывода, которая заключается в том, что оптическая физика тонкопленочных светодиодов приводит к тому, что большая часть света, генерируемого полупроводником, удерживается в устройстве. [222] Для достижения этой цели они продемонстрировали, что обработанные раствором перовскиты могут спонтанно образовывать кристаллические пластинки субмикрометрового масштаба, которые могут эффективно извлекать свет из устройства. Эти перовскиты образуются путем введения добавок аминокислот в растворы- предшественники перовскита . Кроме того, их метод способен пассивировать дефекты поверхности перовскита и уменьшать безызлучательную рекомбинацию. Поэтому, улучшая вывод света и уменьшая безызлучательные потери, Cao и его коллеги успешно достигли PLED с EQE до 20,7%. [221]
Лин и его коллега использовали другой подход для создания высокого EQE. Вместо того, чтобы изменять микроструктуру слоя перовскита, они решили принять новую стратегию управления распределением состава в устройстве — подход, который одновременно обеспечивает высокую люминесценцию и сбалансированную инжекцию заряда. Другими словами, они по-прежнему использовали плоский эмиссионный слой, но попытались оптимизировать баланс электронов и дырок, инжектированных в перовскит, чтобы максимально эффективно использовать носители заряда. Более того, в слое перовскита кристаллы идеально закрыты добавкой MABr (где MA — это CH 3 NH 3 ). Оболочка MABr пассивирует нерадиационные дефекты, которые в противном случае присутствовали бы в кристаллах перовскита, что приводит к снижению нерадиационной рекомбинации. Поэтому, уравновешивая инжекцию заряда и уменьшая нерадиационные потери, Лин и его коллеги разработали PLED с EQE до 20,3%. [223]
Некоторые синие светодиоды и холодно-белые светодиоды могут превышать безопасные пределы так называемой опасности синего света , как определено в спецификациях безопасности для глаз, таких как «ANSI/IESNA RP-27.1–05: Рекомендуемая практика фотобиологической безопасности для ламп и ламповых систем». [224] Одно исследование не показало никаких доказательств риска при нормальном использовании при бытовом освещении, [225] и что осторожность необходима только для определенных профессиональных ситуаций или для определенных групп населения. [226] В 2006 году Международная электротехническая комиссия опубликовала IEC 62471 Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем , заменив применение ранних стандартов, ориентированных на лазеры, для классификации светодиодных источников. [227]
Хотя светодиоды имеют преимущество перед люминесцентными лампами , поскольку они не содержат ртути , они могут содержать другие опасные металлы, такие как свинец и мышьяк . [228]
В 2016 году Американская медицинская ассоциация (AMA) опубликовала заявление о возможном неблагоприятном влиянии голубоватого уличного освещения на цикл сна-бодрствования городских жителей. Критики отрасли утверждают, что уровни воздействия недостаточно высоки, чтобы иметь заметный эффект. [229]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
