.svg/1280px-LED,_5mm,_green_(en).svg.png)
Светоизлучающий диод ( LED ) — это полупроводниковый прибор , излучающий 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 за счет использования нескольких полупроводников или слоя светоизлучающего люминофора на полупроводниковом устройстве. [6]
Появившись в качестве практических электронных компонентов в 1962 году, самые первые светодиоды излучали инфракрасный (ИК) свет низкой интенсивности . [7] Инфракрасные светодиоды используются в цепях дистанционного управления , например в тех, которые используются в разнообразной бытовой электронике. Первые светодиоды видимого света имели низкую интенсивность и ограничивались красным цветом.
Ранние светодиоды часто использовались в качестве индикаторных ламп, заменяя небольшие лампы накаливания , а также в семисегментных дисплеях . Более поздние разработки привели к появлению светодиодов видимого , ультрафиолетового ( УФ) и инфракрасного диапазонов с высокой, низкой или средней светоотдачей, например, белые светодиоды, подходящие для внутреннего и наружного освещения. Светодиоды также привели к появлению новых типов дисплеев и датчиков, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях с такими разнообразными приложениями, как авиационное освещение , гирлянды , полосы света , автомобильные фары , реклама, общее освещение , светофоры , камеры. вспышки, освещенные обои , садовые светильники и медицинские устройства. [8]
Светодиоды имеют множество преимуществ перед лампами накаливания, включая более низкое энергопотребление, более длительный срок службы, повышенную физическую надежность, меньшие размеры и более быстрое переключение. В обмен на эти в целом положительные характеристики недостатки светодиодов включают электрические ограничения по низкому напряжению и, как правило, по питанию постоянного (не переменного) тока, неспособность обеспечить устойчивое освещение от импульсного источника постоянного или переменного тока, а также меньшую максимальную рабочую температуру. и температура хранения.
Светодиоды являются преобразователями электричества в свет. Они работают наоборот фотодиодов , которые преобразуют свет в электричество.
Электролюминесценция как явление была открыта в 1907 году английским экспериментатором Х. Дж. Раундом из лаборатории Маркони с помощью кристалла карбида кремния и детектора из кошачьих усов . [9] [10] Русский изобретатель Олег Лосев сообщил о создании первого светодиода в 1927 году. [11] Его исследования были распространены в советских, немецких и британских научных журналах, но практического применения открытия не было в течение нескольких десятилетий, частично из-за очень неэффективных светоизлучающих свойств карбида кремния использовался полупроводник Лосева. [12] [13]
В 1936 году Жорж Дестрио заметил, что электролюминесценция может возникать, когда порошок сульфида цинка (ZnS) подвешивают в изоляторе и прикладывают к нему переменное электрическое поле. В своих публикациях Дестрио часто называл люминесценцию Лосева-Света. Дестрио работал в лабораториях мадам Марии Кюри , которая также была пионером в области люминесценции и исследовала радий . [14] [15]
Венгр Золтан Бэй вместе с Дьердь Сигети предвосхитил светодиодное освещение в Венгрии в 1939 году, запатентовав осветительное устройство на основе карбида кремния с возможностью использования карбида бора, которое излучало белый, желтовато-белый или зеленовато-белый цвет в зависимости от присутствующих примесей. [16] Курт Леговец , Карл Аккардо и Эдвард Джамгочян объяснили эти первые светодиоды в 1951 году, используя устройство, использующее кристаллы SiC с источником тока в виде батареи или генератора импульсов, и сравнив их с вариантом чистого кристалла в 1953 году. [16 ] 17] [18]
Рубин Браунштейн [19] из Радиокорпорации Америки 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, индия. фосфидные (InP) и кремний-германиевые ( SiGe) сплавы при комнатной температуре и температуре 77 К. В 1957 году Браунштейн продемонстрировал, что элементарные устройства можно использовать для нерадиосвязи на небольшом расстоянии. Как отметил Кремер [21], Браунштейн «… установил простую оптическую линию связи: музыка, исходящая из проигрывателя пластинок, использовалась с помощью подходящей электроники для модуляции прямого тока GaAs-диода. Испускаемый свет регистрировался PbS-диодом. на расстоянии. Этот сигнал подавался в аудиоусилитель и воспроизводился через громкоговоритель. Перехват луча останавливал музыку. Мы получили массу удовольствия, играя с этой установкой». Эта установка предвосхищала использование светодиодов в приложениях оптической связи .
В сентябре 1961 года, работая в компании Texas Instruments в Далласе , штат Техас , Джеймс Р. Биард и Гэри Питтман обнаружили излучение света в ближнем инфракрасном диапазоне (900 нм) туннельного диода, который они сконструировали на подложке GaAs. [7] К октябрю 1961 года они продемонстрировали эффективное излучение света и передачу сигналов между светоизлучателем GaAs pn-перехода и электрически изолированным полупроводниковым фотодетектором. [22] 8 августа 1962 года Биар и Питтман на основе своих открытий подали патент под названием «Полупроводниковый излучающий диод», в котором описывался светодиод с p-n-переходом , диффузионным по цинку , с разнесенным катодным контактом, обеспечивающим эффективное излучение инфракрасного света. под прямым уклоном . После установления приоритета их работы на основе инженерных записных книжек, полученных до подачи заявок от GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs и Lincoln Lab в Массачусетском технологическом институте , патентное ведомство США выдало двум изобретателям патент на инфракрасный свет на основе GaAs. излучающий диод (патент США US3293513), первый практический светодиод. [7] Сразу после подачи заявки на патент компания Texas Instruments (TI) начала проект по производству инфракрасных диодов. В октябре 1962 года компания TI анонсировала первый коммерческий светодиодный продукт (SNX-100), в котором использовался чистый кристалл GaAs, излучающий свет с длиной волны 890 нм. [7] В октябре 1963 года компания TI анонсировала первый коммерческий полусферический светодиод — SNX-110. [23]
В 1960-х годах несколько лабораторий сосредоточились на светодиодах, излучающих видимый свет. Особенно важное устройство было продемонстрировано Ником Холоньяком 9 октября 1962 года, когда он работал в компании General Electric в Сиракузах, штат Нью-Йорк . В устройстве использовался полупроводниковый сплав арсенид фосфида галлия (GaAsP). Это был первый полупроводниковый лазер, излучающий видимый свет, хотя и при низких температурах. При комнатной температуре он по-прежнему функционировал как красный светодиод. GaAsP стал основой для первой волны коммерческих светодиодов, излучающих видимый свет. Он массово производился 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 в 1972 году улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. [28] В 1976 году Т.П. Пирсолл разработал первый светодиоды высокой яркости и высокой эффективности для волоконно-оптических телекоммуникаций путем изобретения новых полупроводниковых материалов, специально адаптированных к длинам волн передачи по оптоволоконному кабелю. [29]
До 1968 года светодиоды видимого и инфракрасного диапазона были чрезвычайно дорогими, порядка 200 долларов США за единицу, и поэтому практически не имели практического применения. [30] Первые коммерческие светодиоды видимой длины волны использовали полупроводники GaAsP и обычно использовались в качестве замены ламп накаливания и неоновых индикаторных ламп , а также в семисегментных дисплеях , сначала в дорогостоящем оборудовании, таком как лабораторное и испытательное оборудование для электроники, а затем в таких приборах. как калькуляторы, телевизоры, радиоприемники, телефоны, а также часы. [31]
Компания Hewlett-Packard (HP) занималась исследованиями и разработками (НИОКР) в области практических светодиодов в период с 1962 по 1968 год исследовательской группой под руководством Говарда К. Бордена, Джеральда П. Пигини из HP Associates и HP Labs . [32] В это время HP сотрудничала с компанией Monsanto в разработке первых пригодных для использования светодиодных продуктов. [33] Первыми пригодными для использования светодиодными продуктами были светодиодный дисплей HP и светодиодная индикаторная лампа Monsanto , выпущенные в 1968 году. [33]
Monsanto была первой организацией, которая начала массовое производство светодиодов видимого диапазона, используя фосфид арсенида галлия (GaAsP) в 1968 году для производства красных светодиодов, подходящих для индикаторов. [30] Ранее Monsanto предлагала HP поставлять GaAsP, но HP решила вырастить собственный GaAsP. [30] В феврале 1969 года компания Hewlett-Packard представила цифровой индикатор HP Model 5082-7000, первое светодиодное устройство, в котором использовалась технология интегральной схемы (интегральная светодиодная схема ). [32] Это был первый интеллектуальный светодиодный дисплей, который произвел революцию в технологии цифровых дисплеев , заменив лампу Никси и став основой для более поздних светодиодных дисплеев. [34]
В 1970-х годах компания Fairchild Optoelectronics производила коммерчески успешные светодиодные устройства стоимостью менее пяти центов за штуку. В этих устройствах использовались составные полупроводниковые чипы , изготовленные с помощью планарного процесса (разработанного Жаном Эрни , [35] [36] ). Сочетание планарной обработки при производстве чипов и инновационных методов упаковки позволило команде Fairchild под руководством пионера оптоэлектроники Томаса Брандта добиться необходимого снижения затрат. [37] Производители светодиодов продолжают использовать эти методы. [38]
Первые красные светодиоды были достаточно яркими для использования в качестве индикаторов, поскольку светоотдачи было недостаточно для освещения области. Показания в калькуляторах были настолько малы, что каждую цифру закрывали пластиковыми линзами, чтобы сделать их разборчивыми. Позже другие цвета стали широко доступны и появились в технике и оборудовании.
Ранние светодиоды были упакованы в металлические корпуса, похожие на корпуса транзисторов, со стеклянным окном или линзой для пропускания света. Современные индикаторные светодиоды упакованы в прозрачные литые пластиковые корпуса, трубчатой или прямоугольной формы, часто тонированные под цвет прибора. Инфракрасные устройства могут быть окрашены, чтобы блокировать видимый свет. Более сложные пакеты были адаптированы для эффективного отвода тепла в мощных светодиодах. Светодиоды для поверхностного монтажа еще больше уменьшают размер корпуса. Светодиоды, предназначенные для использования с оптоволоконными кабелями, могут быть оснащены оптическим разъемом.
Первый сине-фиолетовый светодиод с использованием нитрида галлия , легированного магнием , был создан в Стэнфордском университете в 1972 году Хербом Маруской и Уолли Райнсом , докторантами в области материаловедения и инженерии. [39] [40] В то время Маруська находился в отпуске из лаборатории RCA , где он сотрудничал с Жаком Панкове в соответствующей работе. В 1971 году, через год после того, как Маруська уехала в Стэнфорд, его коллеги из RCA Панкове и Эд Миллер продемонстрировали первую синюю электролюминесценцию легированного цинком нитрида галлия, хотя последующее устройство, построенное Панкове и Миллером, первый настоящий светодиод на основе нитрида галлия, излучало зеленый свет. [41] [42] В 1974 году Патентное ведомство США выдало Марушке, 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 Cree представила первый коммерчески доступный синий светодиод на основе полупроводника с непрямой запрещенной зоной — карбида кремния (SiC). [43] SiC-светодиоды имели очень низкую эффективность, не более 0,03%, но излучали в синей части спектра видимого света. [44] [45]
В конце 1980-х годов ключевые прорывы в области эпитаксиального выращивания GaN и легирования p-типа [46] открыли современную эру оптоэлектронных устройств на основе GaN. Основываясь на этом фундаменте, 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 Мустакиса: и обязал их выплатить лицензионные сборы в размере не менее 13 миллионов долларов США. [48]
Два года спустя, в 1993 году, Сюдзи Накамура из Nichia Corporation продемонстрировал синие светодиоды высокой яркости с использованием процесса выращивания нитрида галлия (GaN). [49] [50] [51] Эти светодиоды имели КПД 10%. [52] Параллельно Исаму Акасаки и Хироши Амано из Университета Нагои работали над разработкой важного метода осаждения GaN на сапфировые подложки и демонстрацией легирования GaN p-типа . Эта новая разработка произвела революцию в светодиодном освещении, сделав практичными мощные источники синего света , что привело к развитию таких технологий, как Blu-ray . [53] [54]
Накамура был удостоен Премии тысячелетия в области технологий 2006 года за свое изобретение. [55] Накамура, Хироши Амано и Исаму Акасаки были удостоены Нобелевской премии по физике в 2014 году за «изобретение эффективных синих светодиодов, которые позволили создать яркие и энергосберегающие источники белого света». [56]
В 1995 году Альберто Барбьери из лаборатории Кардиффского университета (Великобритания) исследовал эффективность и надежность светодиодов высокой яркости и продемонстрировал светодиод с «прозрачным контактом», использующий оксид индия-олова (ITO) на (AlGaInP/GaAs).
В 2001 [57] и 2002 годах [58] были успешно продемонстрированы процессы выращивания светодиодов из нитрида галлия (GaN) на кремнии . В январе 2012 года компания Osram продемонстрировала коммерческие мощные светодиоды InGaN, выращенные на кремниевых подложках, [59] а светодиоды GaN-on-кремний производятся на предприятии Plessey Semiconductors . По состоянию на 2017 год некоторые производители используют SiC в качестве подложки для производства светодиодов, но сапфир является более распространенным, поскольку он имеет свойства, наиболее близкие к свойствам нитрида галлия, что снижает необходимость создания рисунка на сапфировой пластине (узорчатые пластины известны как эпикрипционные пластины). вафли). Samsung , Кембриджский университет и Toshiba проводят исследования GaN на Si-светодиодах. Toshiba прекратила исследования, возможно, из-за низкой урожайности. [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] Некоторые выбирают эпитаксию , которая трудна для кремния , в то время как другие, как Кембриджский университет, выбирают многослойную структуру, чтобы уменьшить несоответствие (кристаллической) решетки и различные коэффициенты теплового расширения, избежать растрескивания светодиодного чипа при высоких температурах (например, во время производства), уменьшить тепловыделение и повысить светоотдачу. Нанесение рисунка на сапфировую подложку может быть выполнено с помощью наноимпринтной литографии . [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73]
Технология GaN-on-Si сложна, но желательна, поскольку позволяет использовать преимущества существующей инфраструктуры производства полупроводников. Это позволяет упаковывать светодиодные кристаллы на уровне пластины, что приводит к созданию чрезвычайно маленьких корпусов светодиодов. [74]
GaN часто осаждается с использованием газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOCVD) [75] , а также с использованием метода Lift-off .
Хотя белый свет можно создать с помощью отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, это приводит к плохой цветопередаче , поскольку излучаются только три узкие полосы длин волн света. За созданием высокоэффективных синих светодиодов вскоре последовала разработка первого белого светодиода. В этом устройстве буква Y
3Ал
5О
12:Ce (известный как « YAG » или люминофор Ce:YAG) люминофорное покрытие , легированное церием , излучает желтый свет посредством флуоресценции . Сочетание этого желтого с оставшимся синим светом кажется глазу белым. Использование различных люминофоров дает зеленый и красный свет посредством флуоресценции. Полученная смесь красного, зеленого и синего воспринимается как белый свет с улучшенной цветопередачей по сравнению с длинами волн комбинации синего светодиода и YAG-люминофора. [76]
Первые белые светодиоды были дорогими и неэффективными. Затем светоотдача увеличилась в геометрической прогрессии . Последние исследования и разработки пропагандируются японскими производителями, такими как Panasonic и Nichia , а также корейскими и китайскими производителями, такими как Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol и другими. Эту тенденцию увеличения производства назвали законом Хайца в честь Роланда Хайца. [77] [78]
Светоотдача и эффективность синих и ближних ультрафиолетовых светодиодов выросла, а стоимость надежных устройств упала. Это привело к появлению относительно мощных светодиодов белого света для освещения, которые заменяют лампы накаливания и люминесцентные лампы. [79] [80]
В 2014 году было продемонстрировано, что экспериментальные белые светодиоды производят 303 люмен на ватт электроэнергии (лм/Вт); некоторые могут прослужить до 100 000 часов. [81] [82] По состоянию на 2018 год коммерчески доступные светодиоды имеют эффективность до 223 лм/Вт. [83] [84] [85] Предыдущий рекорд в 135 лм/Вт был достигнут компанией Nichia в 2010 году. [86] По сравнению с лампами накаливания это значительно повышает электрическую эффективность, и хотя светодиоды дороже в покупке, общая стоимость их срока службы значительно ниже, чем у ламп накаливания. [87]
Светодиодный чип заключен в небольшую пластиковую белую форму [88] [89] , хотя иногда корпус светодиода может включать в себя отражатель. [90] Его можно инкапсулировать с помощью смолы ( на основе полиуретана ), силикона, [91] [92] [93] или эпоксидной смолы [94] , содержащих (порошковые) частицы YAG-люминофора, легированного церием. [95] Вязкость смесей фосфора и кремния необходимо тщательно контролировать. [96] После нанесения на светодиод фосфорно-кремниевой смеси с использованием таких методов, как струйное дозирование, [97] и испарения растворителей светодиоды часто тестируются и помещаются на ленты для оборудования для размещения SMT для использования в светодиодном освещении. производство лампочек. В некоторых светодиодных лампах с «дистанционным люминофором» используется одна пластиковая крышка с YAG-люминофором для одного [98] или нескольких синих светодиодов вместо использования люминофорного покрытия на однокристальных белых светодиодах. [99] Люминофоры Ce:YAG и эпоксидная смола в светодиодах [100] могут разлагаться при использовании, и это более очевидно при более высоких концентрациях Ce:YAG в смесях фосфора и кремния, поскольку Ce:YAG разлагается при использовании. [101] [102] [103] Со временем яркость светодиодов может стать желтой из-за разрушения силикона. [104] Существует несколько вариантов Ce:YAG, и производители во многих случаях не раскрывают точный состав своих предложений Ce:YAG. [105] Доступно несколько других люминофоров для преобразованных люминофором светодиодов для получения нескольких цветов, таких как красный, в котором используются нитросиликатные люминофоры, [106] [107] и многие другие виды люминофорных материалов, которые существуют для светодиодов, такие как люминофоры на основе оксидов, оксинитридов. , оксигалогениды, галогениды, нитриды, сульфиды, квантовые точки и неорганически-органические гибридные полупроводники. Один светодиод может иметь одновременно несколько люминофоров. [108] [109] В некоторых светодиодах используются люминофоры, изготовленные из стеклокерамики или композитных материалов люминофор/стекло. [110] [111] Альтернативно, сами светодиодные чипы могут быть покрыты тонким покрытием из люминофорсодержащего материала, называемым конформным покрытием. [112] [113]
Температура люминофора во время работы и способ его применения ограничивают размер светодиодного кристалла. Белые светодиоды в корпусе уровня пластины позволяют использовать светодиоды чрезвычайно маленького размера. [74]
В светоизлучающем диоде рекомбинация электронов и электронных дырок в полупроводнике производит свет (будь то инфракрасный, видимый или УФ) — процесс, называемый « электролюминесценцией ». Длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны используемых полупроводников. Поскольку эти материалы имеют высокий показатель преломления, для эффективного излучения света необходимы конструктивные особенности устройств, такие как специальные оптические покрытия и форма кристалла. [114]
В отличие от лазера , свет, излучаемый светодиодом, не является ни спектрально когерентным , ни даже монохроматическим . Его спектр настолько узок, что человеческому глазу кажется чистым ( насыщенным ) цветом. [115] [116] Кроме того, в отличие от большинства лазеров, его излучение не является пространственно когерентным , поэтому оно не может приблизиться к очень высокой интенсивности , характерной для лазеров .
Путем выбора различных полупроводниковых материалов можно создать одноцветные светодиоды, излучающие свет в узком диапазоне длин волн от ближнего инфракрасного до видимого спектра и до ультрафиолетового диапазона. По мере того как длины волн становятся короче из-за большей запрещенной зоны этих полупроводников, рабочее напряжение светодиода увеличивается.
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 излучение света от фиолетового до янтарного.
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) различной фракции Al/Ga может использоваться для изготовления слоев оболочки и квантовых ям для ультрафиолетовых светодиодов, но эти устройства еще не достигли уровня эффективности и технологической зрелости синих/зеленых устройств InGaN/GaN. Если в этом случае для формирования слоев активных квантовых ям используется нелегированный GaN, устройство излучает ближний ультрафиолетовый свет с пиковой длиной волны, сосредоточенной около 365 нм. Зеленые светодиоды, изготовленные из системы InGaN/GaN, гораздо более эффективны и ярче, чем зеленые светодиоды, изготовленные из систем безнитридных материалов, но практические устройства по-прежнему демонстрируют слишком низкую эффективность для приложений с высокой яркостью. [ нужна цитата ]
С AlGaN и AlGaInN достижимы еще более короткие длины волн. Излучатели ближнего УФ-излучения с длиной волны около 360–395 нм уже дешевы и часто встречаются, например, в качестве замены ламп черного света для проверки поддельных УФ -водяных знаков в документах и банкнотах, а также для УФ-отверждения . Существенно более дорогие диоды с более короткой длиной волны коммерчески доступны для длин волн до 240 нм. [117] Поскольку фоточувствительность микроорганизмов примерно соответствует спектру поглощения ДНК с пиком около 260 нм, в перспективных устройствах для дезинфекции и стерилизации ожидается использование УФ-светодиодов с длиной волны 250–270 нм. Недавние исследования показали, что имеющиеся в продаже светодиоды UVA (365 нм) уже являются эффективными устройствами для дезинфекции и стерилизации. [118] Длины волн УФ-С были получены в лабораториях с использованием нитрида алюминия (210 нм), [119] нитрида бора (215 нм) [120] [121] и алмаза (235 нм). [122]
Существует два основных способа производства белых светодиодов. Один из них — использовать отдельные светодиоды, которые излучают три основных цвета — красный, зеленый и синий, — а затем смешивать все цвета для формирования белого света. Другой вариант – использовать люминофорный материал для преобразования монохроматического света синего или УФ-светодиода в белый свет широкого спектра, аналогичный люминесцентной лампе . Желтый люминофор представляет собой кристаллы YAG, легированные церием , подвешенные в корпусе или нанесенные на светодиод. Этот люминофор YAG заставляет белые светодиоды казаться желтыми в выключенном состоянии, а пространство между кристаллами позволяет проходить некоторому количеству синего света в светодиодах с частичным преобразованием люминофора. Альтернативно, в белых светодиодах могут использоваться другие люминофоры, такие как фторосиликат калия , легированный марганцем (IV) (PFS), или другие специальные люминофоры. PFS способствует генерации красного света и используется в сочетании с обычным люминофором Ce:YAG. В светодиодах с люминофором PFS часть синего света проходит через люминофоры, люминофор Ce:YAG преобразует синий свет в зеленый и красный (желтый) свет, а люминофор PFS преобразует синий свет в красный свет. Цвет, спектр излучения или цветовую температуру преобразованного белого люминофора и других преобразованных люминофором светодиодов можно контролировать, изменяя концентрацию нескольких люминофоров, которые образуют смесь люминофоров, используемую в корпусе светодиодов. [123] [124] [125] [126]
«Белизна» излучаемого света спроектирована так, чтобы соответствовать человеческому глазу. Из-за метамерии возможны совершенно разные спектры, которые кажутся белыми. Внешний вид объектов, освещенных этим светом, может меняться в зависимости от изменения спектра. Это вопрос цветопередачи, совершенно отдельный от цветовой температуры. Оранжевый или голубой объект может иметь неправильный цвет и быть намного темнее, поскольку светодиод или люминофор не излучают ту длину волны, которую он отражает. В светодиодах с лучшей цветопередачей используется смесь люминофоров, что приводит к меньшей эффективности и лучшей цветопередаче. [ нужна цитата ]
Первые белые светодиоды (СИД) поступили в продажу осенью 1996 года. [127] Компания Nichia изготовила одни из первых белых светодиодов на основе синих светодиодов с люминофором Ce:YAG. [128] Ce:YAG часто выращивают методом Чохральского . [129]
Для смешивания красного, зеленого и синего источников для получения белого света необходимы электронные схемы, контролирующие смешение цветов. Поскольку светодиоды имеют несколько разные характеристики излучения, цветовой баланс может меняться в зависимости от угла зрения, даже если источники RGB находятся в одном корпусе, поэтому диоды RGB редко используются для создания белого освещения. Тем не менее, этот метод имеет множество применений из-за гибкости смешивания разных цветов [130] и, в принципе, этот механизм также имеет более высокую квантовую эффективность при производстве белого света. [131]
Существует несколько типов многоцветных белых светодиодов: ди-, три- и тетрахроматические белые светодиоды. Несколько ключевых факторов, которые играют роль в этих различных методах, включают стабильность цвета, способность цветопередачи и светоотдачу. Часто более высокая эффективность означает более низкую цветопередачу, что представляет собой компромисс между светоотдачей и цветопередачей. Например, дихроматические белые светодиоды имеют лучшую светоотдачу (120 лм/Вт), но самую низкую цветопередачу. Хотя тетрахроматические белые светодиоды обладают превосходной цветопередачей, они часто имеют низкую светоотдачу. Промежуточное положение занимают трихроматические белые светодиоды, обладающие как хорошей светоотдачей (>70 лм/Вт), так и хорошей цветопередачей. [132]
Одной из задач 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. Синий и красный светодиоды приближаются к своему теоретическому пределу. [ нужна цитата ]
Многоцветные светодиоды позволяют формировать свет разных цветов. Большинство воспринимаемых цветов можно получить путем смешивания различных количеств трех основных цветов. Это обеспечивает точный динамический контроль цвета. Их мощность излучения экспоненциально убывает с повышением температуры, [133] 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 более плохим решением для общего освещения, являются лучшим решением для дисплеев, либо с подсветкой ЖК-дисплея, либо с прямой светодиодной подсветкой пикселей.
Регулирование яркости многоцветного светодиодного источника для соответствия характеристикам ламп накаливания затруднено, поскольку производственные различия, возраст и температура изменяют фактическое выходное значение цвета. Для имитации затемнения ламп накаливания может потребоваться система обратной связи с датчиком цвета для активного мониторинга и управления цветом. [134]
Этот метод предполагает покрытие светодиодов одного цвета (в основном синих светодиодов из InGaN ) люминофорами разных цветов для формирования белого света; Полученные в результате светодиоды называются белыми светодиодами на основе люминофора или люминофорно-преобразованными (pcLED). [135] Часть синего света претерпевает стоксов сдвиг, который преобразует его из более коротких 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). [136]
Светодиоды на основе люминофора имеют потери эффективности из-за потерь тепла из-за стоксова сдвига , а также других проблем, связанных с люминофором. Их светоотдача по сравнению с обычными светодиодами зависит от спектрального распределения результирующего светового потока и исходной длины волны самого светодиода. Например, светоотдача типичного белого светодиода на основе желтого люминофора YAG в 3–5 раз превышает светоотдачу исходного синего светодиода из-за большей чувствительности человеческого глаза к желтому цвету, чем к синему (как смоделировано в функции яркости ) . Благодаря простоте изготовления люминофорный метод до сих пор остается самым популярным методом изготовления белых светодиодов высокой интенсивности. Проектирование и производство источника света или светильника с использованием монохромного излучателя с люминофорным преобразованием проще и дешевле, чем сложная система RGB, и большинство белых светодиодов высокой интенсивности, представленных в настоящее время на рынке, производятся с использованием люминофорного преобразования света. [ нужна 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 остается YAG-люминофор с потерями стоксова сдвига менее 10%. Потери, связанные с внутренними оптическими потерями из-за повторного поглощения в светодиодном чипе и в самой светодиодной упаковке, обычно составляют еще от 10% до 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, улучшив дизайн упаковки или используя более подходящий тип люминофора. Процесс конформного покрытия часто используется для решения проблемы различной толщины люминофора. [ нужна цитата ]
Некоторые белые светодиоды на основе люминофора заключают синие светодиоды InGaN в эпоксидную смолу с люминофорным покрытием. В качестве альтернативы светодиод может быть соединен с удаленным люминофором, предварительно отформованным куском поликарбоната, покрытым люминофорным материалом. Удаленные люминофоры обеспечивают более рассеянный свет, что желательно для многих применений. Конструкции с удаленным люминофором также более устойчивы к изменениям спектра излучения светодиодов. Распространенным материалом желтого люминофора является иттрий - алюминиевый гранат, легированный церием (Ce 3+ :YAG). [ нужна цитата ]
Белые светодиоды также могут быть изготовлены путем покрытия светодиодов, работающих в ближнем ультрафиолете (NUV), смесью высокоэффективных люминофоров на основе европия , которые излучают красный и синий свет, а также сульфида цинка, легированного медью и алюминием (ZnS:Cu, Al), который излучает зеленый цвет. . Это метод, аналогичный тому, как работают люминесцентные лампы . Этот метод менее эффективен, чем синие светодиоды с люминофором YAG:Ce, поскольку стоксов сдвиг больше, поэтому больше энергии преобразуется в тепло, но дает свет с лучшими спектральными характеристиками, которые лучше передают цвет. Из-за более высокой мощности излучения ультрафиолетовых светодиодов, чем синих, оба метода обеспечивают сопоставимую яркость. Проблема заключается в том, что ультрафиолетовый свет может просачиваться из неисправного источника света и причинять вред глазам или коже человека. [ нужна цитата ]
Новый тип пластин, состоящий из нитрида галлия на кремнии (GaN-на-Si), используется для производства белых светодиодов с использованием кремниевых пластин диаметром 200 мм. Это позволяет избежать типичной дорогостоящей сапфировой подложки при относительно небольших размерах пластин (100 или 150 мм). [137] 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 GaN-светодиодов будут производиться с использованием GaN-on-Si. Производство большого сапфирового материала затруднено, в то время как большой кремниевый материал дешевле и более распространен. Компании, занимающиеся производством светодиодов, переходят с использования сапфира на кремний и должны потребовать минимальных инвестиций. [138]
На рынке представлены светодиоды RGBW, сочетающие блоки RGB с белым люминофорным светодиодом. При этом сохраняется чрезвычайно настраиваемый цвет светодиода RGB, но позволяет оптимизировать цветопередачу и эффективность при выборе цвета, близкого к белому. [139]
Некоторые светодиоды с белым люминофором являются «настраиваемыми белыми», смешивая два крайних значения цветовых температур (обычно 2700К и 6500К) для получения промежуточных значений. Эта функция позволяет пользователям изменять освещение в соответствии с текущим использованием многофункционального помещения. [140] Как показано прямой линией на диаграмме цветности, простые смеси двух белых будут иметь розовый уклон, который становится наиболее выраженным в середине. Небольшое количество зеленого света, исходящего от другого светодиода, могло бы решить проблему. [141] Некоторые продукты являются RGBWW, т.е. RGBW с настраиваемым белым цветом. [142]
Последний класс белых светодиодов смешанного света — от тусклого до теплого. Это обычные белые светодиодные лампы 2700К с маленьким красным светодиодом, который включается при уменьшении яркости лампы. Это сделает цвет теплее, имитируя лампочку накаливания. [142]
Другой метод, использованный для производства экспериментальных светодиодов белого света, вообще не использовал люминофоры и был основан на гомоэпитаксиально выращенном селениде цинка (ZnSe) на подложке ZnSe, который одновременно излучал синий свет из своей активной области и желтый свет из подложки. [143]
В органических светодиодах ( OLED ) электролюминесцентный материал, составляющий излучающий слой диода, представляет собой органическое соединение . Органический материал является электропроводным из-за делокализации пи-электронов , вызванной сопряжением всей или части молекулы, и поэтому материал действует как органический полупроводник . [144] Органические материалы могут представлять собой небольшие органические молекулы в кристаллической фазе или полимеры . [145]
Потенциальные преимущества OLED включают тонкие, недорогие дисплеи с низким напряжением возбуждения, широким углом обзора, высокой контрастностью и цветовой гаммой . [146] Полимерные светодиоды имеют дополнительное преимущество, заключающееся в возможности печати и гибких дисплеев. [147] [148] [149] OLED использовались для создания визуальных дисплеев для портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, цифровые камеры, осветительные приборы и телевизоры. [145] [146]
Перовскитные светодиоды (PeLED) стали многообещающими кандидатами для технологий отображения и освещения следующего поколения. В последние годы исследователи проявляют растущий интерес к перовскитным светодиодам (PeLED) благодаря их способности излучать свет с узкой полосой пропускания , регулируемым спектром , способности обеспечивать высокую чистоту цвета и экономичному производству решений. [150] [151]
Когда дело доходит до эффективности, PeLED не превзошли коммерческие органические светодиоды ( OLED ), поскольку конкретные критические параметры, такие как транспорт носителей заряда и эффективность связи оптического выхода, не были тщательно оптимизированы. [151]
В ответ на эту проблему 29 мая 2023 года Бай и его коллеги сообщили о разработке сверхэффективных зеленых PeLED с внешним квантовым выходом (EQE), превышающим знаменательный рубеж в 30% . [151] Это достижение было достигнуто стратегическими корректировки транспорта носителей заряда и распределения света ближнего поля. Эти оптимизации эффективно снизили утечку электронов и привели к исключительной эффективности связи светового потока — 41,82%. В качестве слоя инжекции дырок для балансировки инжекции носителей заряда использовалась пленка Ni 0,9 Mg 0,1 O x с высоким показателем преломления и повышенной подвижностью дырочных носителей , а между слоем переноса дырок и эмиссионным слоем перовскита был вставлен слой полиэтиленгликоля для предотвращения электронов. утечку и минимизировать потерю фотонов. [151]
Модифицированная структура зеленого PeLED позволила ему достичь мирового рекорда внешней квантовой эффективности 30,84% (при среднем значении 29,05 ± 0,77%) при уровне яркости 6514 кд/м 2 . Эта новаторская работа представляет убедительный подход к созданию сверхэффективных PeLED путем эффективного балансирования электронно-дырочной рекомбинации и улучшения связи света. [151]
Однако расширение эффективной площади перовскитных светодиодов может привести к существенному падению их производительности. Чтобы решить эту проблему, Сан и др. [152] ввели L-метионин (NVAL) для создания промежуточной фазы с низкой энтальпией образования и координацией COO . Эта новая промежуточная фаза изменила путь кристаллизации, эффективно подавляя фазовое расслоение. В результате были получены высококачественные квази-2D перовскитные пленки большой площади. В дальнейшем они доработали композитную динамику пленки, что привело к созданию высокоэффективных квази-2D перовскитных зеленых светодиодов с эффективной площадью 9,0 см 2 . Внешний квантовый выход (EQE) 16,4% был достигнут при <n> = 3, что делает его наиболее эффективным перовскитным светодиодом большой площади. При этом в <n> = 10 пленках была достигнута яркость 9,1×104 кд/м 2 . [152]
16 марта 2023 г. Чжоу и др. [153] опубликовали исследование, демонстрирующее успешное управление поведением ионов для создания высокоэффективных небесно-голубых перовскитных светодиодов. Они достигли этого, используя бифункциональный пассиватор , который состоял из анионов бензойной кислоты основания Льюиса и катионов щелочных металлов. Этот пассиватор имел двойную роль: он эффективно пассивировал дефицитный атом свинца и ингибировал миграцию галогенид-ионов. Результатом этого инновационного подхода стала реализация эффективного перовскитного светодиода, излучающего свет со стабильной длиной волны 483 нм. Светодиод продемонстрировал похвальную внешнюю квантовую эффективность (EQE) 16,58%, при этом пиковый EQE достиг 18,65%. За счет улучшения оптической связи EQE был дополнительно увеличен до 28,82%. [153]
Одним из наиболее важных аспектов технологии освещения и дисплеев является эффективное генерирование красного излучения. Квази-2D-перовскиты продемонстрировали потенциал высокой эффективности излучения благодаря надежному удержанию носителей заряда. Однако внешняя квантовая эффективность (EQE) большинства красных квазидвумерных PeLED не является оптимальной из-за различных фаз n-значения в сложных квазидвумерных перовскитных пленках.
Чтобы решить эту проблему, Цзян и др. [150] опубликовали свои результаты в журнале Advanced Materials 20 июля 2022 года. Их исследования были сосредоточены на стратегическом включении крупных катионов для повышения эффективности перовскитных светодиодов красного света. Введя йодид фенэтиламмония (PEAI)/3-фторфенилэтиламмония (mF-PEA) и йодид 1-нафтилметиламмония (NMAI), они достигли точного контроля над фазовым распределением квази-2D перовскитных материалов. Этот подход эффективно уменьшал преобладание фаз с меньшим n-индексом и одновременно устранял дефекты свинца и галогенидов в перовскитных пленках. Результатом этого исследования стала разработка перовскитных светодиодов, способных достигать EQE 25,8% при длине волны 680 нм, сопровождаясь пиковой яркостью 1300 кд/м 2 . [150]
Высокоэффективный белый перовскитовый светодиод с высокой эффективностью светоотдачи может быть создан посредством оптической связи ближнего поля. [154] Ближнепольная оптическая связь между синим перовскитным диодом и красным нанокристаллом перовскита была достигнута с помощью разумно спроектированного многослойного полупрозрачного электрода (LiF/Al/Ag/LiF). Нанокристаллический слой красного перовскита позволяет извлекать и преобразовывать в излучение красного света волноводную моду и моду поляризации поверхностного плазмона, захваченную синим перовскитным диодом, увеличивая эффективность светоизвлечения на 50%. В то же время дополнительные спектры излучения синих фотонов и преобразованных с понижением частоты красных фотонов способствуют образованию белых светодиодов. Наконец, квантовая эффективность вне устройства превышает 12%, а яркость превышает 2000 кд/м 2 , что является самым высоким показателем среди белых PeLED. [154]
Получение высококачественных полностью неорганических перовскитных пленок с помощью методов на основе растворов остается сложной задачей, в первую очередь связанной с быстрой и неконтролируемой кристаллизацией таких материалов. Ключевое нововведение заключалось в контроле ориентации кристаллов полностью неорганического перовскита вдоль плоскости (110) посредством процесса низкотемпературного отжига (35–40°C). Этот точный контроль привел к упорядоченной укладке кристаллов, что значительно увеличило покрытие поверхности и уменьшило дефекты внутри материала. После тщательной оптимизации хорошо ориентированный перовскитный светодиод CsPbBr 3 достиг внешнего квантового выхода (EQE) до 16,45 %, замечательной яркости 79 932 кд/м 2 и срока службы 136 часов при первоначальной работе на уровне яркости 100 кд/м 2 . [155]
20 сентября 2021 г. группа под руководством Сарджента и др. [156] из Университета Торонто опубликовала в Журнале Американского химического общества (JACS) результаты своих исследований по ярким и стабильным светоизлучающим диодам (СИД) на основе квантовые точки перовскита внутри перовскитной матрицы. Исследование показало, что квантовые точки перовскита остаются стабильными в тонкой пленке исходного раствора перовскита и способствуют равномерной кристаллизации матрицы перовскита, используя деформированные квантовые точки в качестве центров зародышеобразования. Выравнивание зон типа I гарантирует, что квантовые точки действуют как акцепторы заряда и излучатели излучения. [156]
Новый материал обладает подавленной оже-рекомбинацией биэкситонов и яркой люминесценцией даже при высоком возбуждении (600 Вт/см 2 ). Красные светодиоды на основе нового материала демонстрируют внешнюю квантовую эффективность 18% и сохраняют высокие характеристики при яркости, превышающей 4700 кд/м 2 . Новый материал продлевает срок полураспада светодиодов до 2400 часов при начальной яркости 100 кд/м 2 . [156]
Светодиоды изготавливаются в разных корпусах для разных применений. Один или несколько светодиодных переходов могут быть упакованы в одно миниатюрное устройство для использования в качестве индикаторной или контрольной лампы. Массив светодиодов может включать в себя схемы управления в одном корпусе, которые могут варьироваться от простого резистора, управления миганием или изменением цвета до адресного контроллера для устройств RGB. Устройства с белым излучением большей мощности будут установлены на радиаторах и будут использоваться для освещения. Буквенно-цифровые дисплеи в формате точечной матрицы или гистограммы широко доступны. Специальные пакеты позволяют подключать светодиоды к оптическим волокнам для высокоскоростных каналов передачи данных.
В основном это однокристальные светодиоды, используемые в качестве индикаторов, они бывают разных размеров от 2 мм до 8 мм, в корпусах для сквозного и поверхностного монтажа . [157] Типичные номинальные токи находятся в диапазоне от примерно 1 мА до более 20 мА. Несколько светодиодных кристаллов, прикрепленных к гибкой подложке, образуют светодиодную ленту . [ нужна цитата ]
Обычные формы упаковки включают круглую, с куполообразной или плоской вершиной, прямоугольную с плоской вершиной (как используется в гистограммах), а также треугольную или квадратную с плоской вершиной. Инкапсуляция также может быть прозрачной или окрашенной для улучшения контрастности и угла обзора. Инфракрасные устройства могут иметь черный оттенок, чтобы блокировать видимый свет при прохождении инфракрасного излучения. [ нужна цитата ]
Светодиоды сверхвысокой мощности предназначены для просмотра под прямыми солнечными лучами. [ нужна цитата ]
Светодиоды на 5 В и 12 В — это обычные миниатюрные светодиоды, имеющие последовательный резистор для прямого подключения к источнику питания 5 В или 12 В. [ нужна цитата ]
.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 токе от сотен мА до более чем ампер по сравнению с десятками мА для других светодиодов. Некоторые могут излучать более тысячи люмен. [158] [159] Была достигнута плотность мощности светодиодов до 300 Вт/см 2 . Поскольку перегрев губителен, HP-LED необходимо монтировать на радиаторе, чтобы обеспечить рассеивание тепла. Если тепло от HP-LED не отвести, устройство выйдет из строя за считанные секунды. Один HP-LED часто может заменить лампу накаливания в фонарике или быть установлен в массив, образуя мощную светодиодную лампу .
Некоторые известные HP-LED в этой категории — серия Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon и Cree X-lamp. По состоянию на сентябрь 2009 года яркость некоторых HP-LED производства Cree превышает 105 лм/Вт. [160]
Примерами закона Хайца , который предсказывает экспоненциальный рост светоотдачи и эффективности светодиодов с течением времени, являются светодиоды серии CREE XP-G, которые в 2009 году достигли 105 лм/Вт [160] и серия Nichia 19 с типичной эффективностью 140 лм/Вт, выпущен в 2010 году. [161]
Светодиоды, разработанные Seoul Semiconductor, могут работать от сети переменного тока без преобразователя постоянного тока. В течение каждого полупериода часть светодиода излучает свет, а часть — темноту, и в течение следующего полупериода ситуация меняется на противоположную. Эффективность HP-LED этого типа обычно составляет 40 лм/Вт. [162] Большое количество светодиодных элементов, соединенных последовательно, может работать непосредственно от сетевого напряжения. В 2009 году компания Seoul Semiconductor выпустила светодиод высокого напряжения постоянного тока под названием Acrich MJT, который может работать от сети переменного тока с помощью простой схемы управления. Низкое рассеивание мощности этих светодиодов обеспечивает им большую гибкость, чем исходная конструкция светодиодов переменного тока. [163]
.jpg/1280px-Passenger_Experience_Week_2018,_Hamburg_(1X7A3748).jpg)
Светодиодная лента , лента или ленточный светильник представляет собой гибкую печатную плату, заполненную светодиодами поверхностного монтажа (SMD-светодиоды) и другими компонентами, которые обычно имеют клейкую основу. Традиционно полосовые светильники использовались исключительно для акцентного освещения, заднего освещения, рабочего освещения и декоративного освещения, например, для освещения бухт .
Светодиодные ленты появились в начале 2000-х годов. С тех пор повышенная светоотдача и более мощные SMD-элементы позволили использовать их в таких приложениях, как рабочее освещение высокой яркости, замена люминесцентных и галогенных осветительных приборов, приложения непрямого освещения, ультрафиолетовый контроль во время производственных процессов, дизайн декораций и костюмов, а также выращивание растений. растения.
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, например, источником постоянного тока , чтобы предотвратить повреждение. Поскольку наиболее распространенные источники питания являются (почти) источниками постоянного напряжения, светодиодные светильники должны включать в себя преобразователь мощности или, по крайней мере, токоограничивающий резистор. В некоторых приложениях внутреннего сопротивления небольших батарей достаточно, чтобы поддерживать ток в пределах номинала светодиода. [ нужна цитата ]
В отличие от традиционной лампы накаливания, светодиод загорается только тогда, когда напряжение подается в прямом направлении диода. Ток не протекает и свет не излучается, если напряжение подается в обратном направлении. Если обратное напряжение превышает напряжение пробоя , которое обычно составляет около пяти вольт, протекает большой ток и светодиод будет поврежден. Если обратный ток достаточно ограничен, чтобы избежать повреждения, светодиод обратной проводимости является полезным шумовым диодом . [ нужна цитата ]
По определению, ширина запрещенной зоны любого диода выше при обратном смещении, чем при прямом смещении. Поскольку энергия запрещенной зоны определяет длину волны излучаемого света, цвет не может быть одинаковым при обратном смещении. Напряжение обратного пробоя достаточно велико, поэтому излучаемая длина волны не может быть достаточно одинаковой, чтобы ее можно было все еще видеть. Хотя существуют пакеты с двумя светодиодами, которые содержат светодиоды разного цвета в каждом направлении, не ожидается, что какой-либо отдельный светодиодный элемент может излучать видимый свет при обратном смещении. [ нужна цитата ]
Неизвестно, может ли существовать стабилитрон, излучающий свет только в режиме обратного смещения. Уникально то, что этот тип светодиодов будет проводить ток при обратном подключении.
Некоторые синие светодиоды и светодиоды холодного белого цвета могут превышать безопасные пределы так называемой опасности синего света , как это определено в спецификациях безопасности для глаз, таких как «ANSI / IESNA RP-27.1–05: Рекомендуемая практика фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем». . [171] Одно исследование не выявило никаких доказательств риска при нормальном использовании при домашнем освещении, [172] и что осторожность необходима только в определенных профессиональных ситуациях или для определенных групп населения. [173] В 2006 году Международная электротехническая комиссия опубликовала стандарт IEC 62471 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем» , заменивший применение ранних стандартов, ориентированных на лазеры, для классификации светодиодных источников. [174]
Хотя светодиоды имеют преимущество перед люминесцентными лампами в том, что они не содержат ртути , они могут содержать и другие опасные металлы, такие как свинец и мышьяк . [175]
В 2016 году Американская медицинская ассоциация (АМА) выступила с заявлением о возможном неблагоприятном влиянии голубоватого уличного освещения на цикл сна-бодрствования горожан. Критики отрасли утверждают, что уровни воздействия недостаточно высоки, чтобы оказать заметный эффект. [176]
Производство светодиодов включает в себя несколько этапов, включая эпитаксию, обработку чипов, разделение чипов и упаковку. [196]
В типичном процессе производства светодиодов инкапсуляция выполняется после зондирования, нарезки кристалла, переноса кристалла с пластины на корпус, а также соединения проводов или установки перевернутой микросхемы [197] , возможно, с использованием оксида индия-олова , прозрачного электрического проводника. В этом случае соединительные провода прикрепляются к пленке ITO, нанесенной на светодиоды.
Схема с перевернутой микросхемой на плате (COB) — это технология, которую можно использовать для производства светодиодов. [198]
Использование светодиодов можно разделить на пять основных категорий:
Низкое энергопотребление , 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 указателей на автострадах. Тонкие и легкие дисплеи сообщений используются в аэропортах и на железнодорожных вокзалах, а также в качестве дисплеев пунктов 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 рождественских огней на основе светодиодов.
Благодаря длительному сроку службы, быстрому переключению и заметности среди бела дня благодаря высокой мощности и фокусу светодиоды используются в автомобильных стоп-сигналах и указателях поворота. Использование тормозов повышает безопасность за счет значительного сокращения времени, необходимого для полного зажигания, или более быстрого времени нарастания, примерно на 0,1 секунды быстрее, чем у лампы накаливания. Это дает отстающим водителям больше времени для реагирования. В схеме двойной интенсивности (задние габариты и тормоза), если светодиоды не пульсируют с достаточно высокой частотой, они могут создать фантомную матрицу , в которой появляются призрачные изображения светодиода, если глаза быстро сканируют матрицу. Начинают появляться белые светодиодные фары. Использование светодиодов имеет преимущества в дизайне, поскольку светодиоды могут формировать гораздо более тонкие источники света, чем лампы накаливания с параболическими отражателями .
Из-за относительной дешевизны светодиодов малой мощности их также используют во многих временных целях, например, в светящихся палочках и метательных брошках. Художники также использовали светодиоды для светодиодного искусства .
С развитием высокоэффективных и мощных светодиодов стало возможным использовать светодиоды в освещении и освещении. Чтобы стимулировать переход на светодиодные лампы и другое высокоэффективное освещение, в 2008 году Министерство энергетики США учредило конкурс L Prize . Светодиодная лампа Philips Lighting North America выиграла первый конкурс 3 августа 2011 года после успешного завершения 18 месяцев интенсивных полевых, лабораторных испытаний и испытаний продукции . [205]
Для устойчивой архитектуры необходимо эффективное освещение . По состоянию на 2011 год некоторые светодиодные лампы обеспечивают мощность до 150 лм/Вт, а даже недорогие модели бюджетного класса 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 потребность в системах кондиционирования воздуха . Во всем мире светодиоды быстро внедряются, чтобы заменить менее эффективные источники, такие как лампы накаливания и КЛЛ , и снизить потребление электроэнергии и связанные с этим выбросы. Светодиоды на солнечных батареях используются в качестве уличных фонарей и в архитектурном освещении .
Механическая прочность и длительный срок службы используются в автомобильном освещении автомобилей, мотоциклов и велосипедных фонарей . Светодиодные уличные фонари используются на столбах и в гаражах. В 2007 году итальянская деревня Торрака стала первым местом, где уличное освещение было переведено на светодиоды. [206]
Освещение салона в последнее время [ когда? ] В самолетах Airbus и Boeing используется светодиодное освещение. Светодиоды также используются в освещении аэропортов и вертолетных площадок. Светодиодные светильники для аэропортов в настоящее время включают огни взлетно-посадочной полосы средней интенсивности, огни осевой линии взлетно-посадочной полосы, осевые и боковые огни рулежной дорожки, указатели и заградительное освещение.
Светодиоды также используются в качестве источника света для DLP- проекторов, а также для подсветки новых ЖК- телевизоров (называемых светодиодными телевизорами ), компьютерных мониторов (включая ноутбуки ) и ЖК-дисплеев портативных устройств, пришедших на смену старым ЖК-дисплеям с подсветкой CCFL , хотя их вытесняют экраны OLED . Светодиоды RGB расширяют цветовой охват на целых 45%. Экраны телевизоров и дисплеев компьютеров можно сделать тоньше, используя светодиоды для подсветки. [207]
Светодиоды маленькие, долговечные и требуют мало энергии, поэтому их используют в портативных устройствах, таких как фонарики . Светодиодные стробоскопы или вспышки фотокамер работают при безопасном низком напряжении вместо 250+ вольт, обычно встречающихся в освещении на основе ксеноновых ламп-вспышек. Это особенно полезно в камерах на мобильных телефонах , где пространство ограничено, а громоздкие схемы повышения напряжения нежелательны.
Светодиоды используются для инфракрасного освещения в системах ночного видения , включая камеры видеонаблюдения . Кольцо светодиодов вокруг видеокамеры , направленное вперед на световозвращающий фон , позволяет использовать хромакей в видеопроизводстве .
Светодиоды используются в горнодобывающей промышленности в качестве цокольных ламп для освещения шахтеров. Были проведены исследования по улучшению светодиодов для горнодобывающей промышленности, уменьшению бликов и увеличению освещенности, что снижает риск травмирования горняков. [208]
Светодиоды все чаще находят применение в медицинских и образовательных целях, например, для улучшения настроения. [209] НАСА даже спонсировало исследования по использованию светодиодов для улучшения здоровья астронавтов. [210]
Свет можно использовать для передачи данных и аналоговых сигналов. Например, освещение белыми светодиодами можно использовать в системах, помогающих людям ориентироваться в закрытых пространствах при поиске необходимых помещений или объектов. [211]
Вспомогательные устройства для прослушивания во многих театрах и аналогичных помещениях используют массивы инфракрасных светодиодов для передачи звука на приемники слушателей. Светоизлучающие диоды (а также полупроводниковые лазеры) используются для передачи данных по многим типам оптоволоконных кабелей: от цифрового аудио по кабелям TOSLINK до оптоволоконных линий с очень высокой пропускной способностью, которые образуют магистраль Интернета. Некоторое время компьютеры обычно оснащались интерфейсами IrDA , которые позволяли отправлять и получать данные на близлежащие машины через инфракрасный порт.
Поскольку светодиоды могут включаться и выключаться миллионы раз в секунду, можно достичь очень высокой пропускной способности передачи данных. [212] По этой причине связь в видимом свете (VLC) была предложена в качестве альтернативы все более конкурентоспособной полосе радиочастот. [213] 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 детали легче обрабатывать. Часто используются светодиоды.
Сканеры штрих-кода являются наиболее распространенным примером приложений машинного зрения, и во многих из этих сканеров вместо лазеров используются красные светодиоды. Оптические компьютерные мыши используют светодиоды в качестве источника света для миниатюрной камеры внутри мыши.
Светодиоды полезны для машинного зрения, поскольку они представляют собой компактный и надежный источник света. Светодиодные лампы можно включать и выключать в соответствии с потребностями системы технического зрения, а форму создаваемого луча можно адаптировать в соответствии с требованиями системы.
Открытие исследовательской лабораторией армии США (ARL) излучательной рекомбинации в сплавах нитрида алюминия-галлия (AlGaN) привело к концептуализации УФ-светоизлучающих диодов (светодиодов), которые будут включены в светоиндуцированные флуоресцентные датчики, используемые для обнаружения биологических агентов. [214] [215] [216] В 2004 году Химико-биологический центр Эджвуда (ECBC) инициировал попытку создать биологический детектор под названием TAC-BIO. В программе использовались полупроводниковые оптические УФ-источники (SUVOS), разработанные Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) . [216]
УФ-индуцированная флуоресценция — один из наиболее надежных методов, используемых для быстрого обнаружения биологических аэрозолей в режиме реального времени. [216] Первые УФ-датчики представляли собой лазеры, не пригодные для использования в полевых условиях. Чтобы решить эту проблему, DARPA внедрило технологию SUVOS для создания недорогого, небольшого, легкого и маломощного устройства. Время отклика детектора TAC-BIO составило 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. [216]
Аэрозольные биологические частицы флуоресцируют и рассеивают свет под действием УФ-луча. Наблюдаемая флуоресценция зависит от применяемой длины волны и биохимических флуорофоров в составе биологического агента. УФ-индуцированная флуоресценция предлагает быстрый, точный, эффективный и логистически практичный способ обнаружения биологических агентов. Это связано с тем, что использование УФ-флуоресценции является безреагентным или процессом, который не требует добавления химикатов для проведения реакции, не требует расходных материалов или не производит никаких химических побочных продуктов. [216]
Кроме того, TAC-BIO может надежно различать опасные и неопасные аэрозоли. Утверждалось, что он достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать низкие концентрации, но не настолько чувствителен, чтобы вызывать ложноположительные результаты. Алгоритм подсчета частиц, используемый в устройстве, преобразовывал необработанные данные в информацию путем подсчета импульсов фотонов в единицу времени от детекторов флуоресценции и рассеяния и сравнения значения с установленным порогом. [217]
Оригинальный TAC-BIO был представлен в 2010 году, а второе поколение TAC-BIO GEN II было разработано в 2015 году как более экономичное, поскольку в нем использовались пластиковые детали. Его небольшая и легкая конструкция позволяет устанавливать его на транспортные средства, роботов и беспилотные летательные аппараты. Устройство второго поколения также можно использовать в качестве детектора окружающей среды для мониторинга качества воздуха в больницах, самолетах или даже в домашних условиях для обнаружения грибков и плесени. [218] [219]
Свет светодиодов можно модулировать очень быстро, поэтому они широко используются в оптоволоконных системах связи и оптике свободного пространства . Сюда входят пульты дистанционного управления , например, для телевизоров, где часто используются инфракрасные светодиоды. В оптоизоляторах используется светодиод в сочетании с фотодиодом или фототранзистором , чтобы обеспечить электрическую изоляцию пути прохождения сигнала между двумя цепями. Это особенно полезно в медицинском оборудовании, где сигналы от цепи низковольтного датчика (обычно с батарейным питанием), контактирующего с живым организмом, должны быть электрически изолированы от любого возможного электрического сбоя в устройстве регистрации или мониторинга, работающем при потенциально опасных напряжениях. Оптоизолятор также позволяет передавать информацию между цепями, которые не имеют общего потенциала земли.
Многие сенсорные системы полагаются на свет в качестве источника сигнала. Светодиоды часто идеальны в качестве источника света из-за требований датчиков. Сенсорная панель Nintendo Wii использует инфракрасные светодиоды. Пульсовые оксиметры используют их для измерения насыщения кислородом . В некоторых планшетных сканерах в качестве источника света используются массивы светодиодов RGB, а не типичная люминесцентная лампа с холодным катодом . Независимое управление тремя цветами подсветки позволяет сканеру самостоятельно калиброваться для более точного цветового баланса без необходимости прогрева. Кроме того, его датчики должны быть только монохромными, поскольку в любой момент времени сканируемая страница освещается только одним цветом света.
Поскольку светодиоды также можно использовать в качестве фотодиодов, их можно использовать как для фотоэмиссии, так и для обнаружения. Это можно использовать, например, в сенсорном экране , который регистрирует отраженный свет от пальца или стилуса . [220] Многие материалы и биологические системы чувствительны к свету или зависят от него. В светильниках для выращивания растений используются светодиоды для увеличения фотосинтеза в растениях , [221] а бактерии и вирусы можно удалить из воды и других веществ, используя УФ-светодиоды для стерилизации . [118] Светодиоды определенных длин волн также использовались для светотерапевтического лечения неонатальной желтухи и прыщей . [222]
УФ-светодиоды со спектральным диапазоном от 220 до 395 нм находят другие применения, такие как очистка воды / воздуха , дезинфекция поверхностей, отверждение клея, связь в открытом пространстве вне прямой видимости , высокоэффективная жидкостная хроматография, краситель, отверждаемый УФ-излучением. печать, фототерапия ( витамин D 295 нм , эксимерная лампа 308 нм или замена лазера), медицинское/аналитическое оборудование и абсорбция ДНК. [215] [223]
Светодиоды также используются в качестве источника опорного напряжения среднего качества в электронных схемах. Прямое падение напряжения (около 1,7 В для красного светодиода или 1,2 В для инфракрасного) можно использовать вместо стабилитрона в низковольтных стабилизаторах. Красные светодиоды имеют самую пологую кривую ВАХ выше колена. Светодиоды на основе нитридов имеют довольно крутую ВАХ и для этой цели бесполезны. Хотя прямое напряжение светодиода в гораздо большей степени зависит от тока, чем стабилитрон, стабилитроны с напряжением пробоя ниже 3 В широко не доступны.
Постепенная миниатюризация низковольтных осветительных технологий, таких как светодиоды и OLED, подходящие для использования в материалах 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 люминофорные материалы и квантовые точки . [224]
Процесс понижающего преобразования (метод, с помощью которого материалы преобразуют более энергичные фотоны в другие, менее энергичные цвета) также нуждается в улучшении. Например, красные люминофоры, которые используются сегодня, термочувствительны и нуждаются в улучшении в этом аспекте, чтобы они не меняли цвет и не испытывали падения эффективности с температурой. Красные люминофоры также могут выиграть от более узкой спектральной ширины, чтобы излучать больше люменов и становиться более эффективными при преобразовании фотонов. [225]
Кроме того, еще предстоит проделать работу в области снижения текущей эффективности, изменения цвета, надежности системы, распределения света, затемнения, управления температурным режимом и производительности источника питания. [224]
Первые подозрения заключались в том, что падение мощности светодиодов было вызвано повышенными температурами. Ученые показали, что температура не является основной причиной падения эффективности. [226] Механизм, вызывающий падение эффективности, был идентифицирован в 2007 году как оже-рекомбинация , которая была принята смешанной реакцией. [188] Исследование 2013 года окончательно установило, что причиной является оже-рекомбинация. [227]
Новое семейство светодиодов основано на полупроводниках, называемых перовскитами . В 2018 году, менее чем через четыре года после их открытия, способность перовскитных светодиодов (PLED) производить свет за счет электронов уже конкурировала со способностью наиболее эффективных OLED . [228] У них есть потенциал экономической эффективности, поскольку их можно обрабатывать из раствора, недорогого и низкотехнологичного метода, который может позволить изготавливать устройства на основе перовскита, имеющие большие площади, с чрезвычайно низкой стоимостью. Их эффективность превосходит устранение безызлучательных потерь, другими словами, устранение путей рекомбинации , которые не производят фотоны; или путем решения проблемы развязки (распространенной для тонкопленочных светодиодов) или балансировки инжекции носителей заряда для увеличения EQE (внешнего квантового выхода). Самые современные устройства PLED преодолели барьер производительности, подняв EQE выше 20%. [229]
В 2018 году Цао и др. и Лин и др. независимо опубликовали две статьи о разработке перовскитных светодиодов с EQE более 20%, что сделало эти две статьи важной вехой в развитии PLED. Их устройства имеют схожую планарную структуру, то есть активный слой (перовскит) зажат между двумя электродами. Чтобы добиться высокого EQE, они не только уменьшили безызлучательную рекомбинацию, но и использовали свои собственные, немного отличающиеся методы для улучшения EQE. [229]
В работе Цао и др. , [230] исследователи сосредоточились на проблеме вывода, которая заключается в том, что оптическая физика тонкопленочных светодиодов приводит к тому, что большая часть света, генерируемого полупроводником, задерживается в устройстве. [231] Для достижения этой цели они продемонстрировали, что перовскиты, обработанные в растворе, могут спонтанно образовывать кристаллические пластинки субмикрометрового размера, которые могут эффективно извлекать свет из устройства. Эти перовскиты образуются путем введения аминокислотных добавок в растворы предшественников перовскита . Кроме того, их метод способен пассивировать поверхностные дефекты перовскита и уменьшить безызлучательную рекомбинацию. Таким образом, улучшив выход света и уменьшив безызлучательные потери, Цао и его коллеги успешно достигли PLED с EQE до 20,7%. [230]
Лин и его коллега использовали другой подход для достижения высокого EQE. Вместо модификации микроструктуры 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 пытались оптимизировать баланс электронов и дырок, инжектированных в перовскит, чтобы максимально эффективно использовать носители заряда. При этом в слое перовскита кристаллы прекрасно заключены добавкой МАБр (где МА – CH 3 NH 3 ). Оболочка MABr пассивирует безызлучательные дефекты, которые в противном случае присутствовали бы в кристаллах перовскита, что приводило к уменьшению безызлучательной рекомбинации. Поэтому, сбалансировав инжекцию заряда и уменьшив безызлучательные потери, Лин и его коллеги разработали PLED с EQE до 20,3%. [232]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
