Светодиод (Light-Emitting Diode или LED) – это полупроводниковый прибор, полезной работой которого является световое излучение. За этим коротким и ёмким определением скрывается большой пласт физических процессов, понять которые не так сложно, если описать их понятными словами. Разберемся вместе, что к чему.
Что такое полупроводник (ПП)? Полупроводник – это вид материала, который в полной мере не относится ни к проводникам, ни к диэлектрикам. В базовом состоянии полупроводник может слабо или вообще не проводить ток, а при физическом воздействии (нагрев/облучение/подача напряжения) повышать свою проводящую способность. ПП бывают двух типов: p-полупроводники и n-полупроводники.
В полупроводниках “p”-типа основными носителями заряда выступают так называемые дырки, то есть вакантные незаполненные зарядами места на стыке атомов, из которых состоит ПП. Такой материал называется полупроводником с дырочным типом проводимости. Этот тип ПП может быть создан, например, с помощью легирования кремния алюминием. Кремний имеет в оболочке своего атома 4 электрона, в то время как алюминий, которым его легируют, имеет всего 3 электрона. При соединении атомов этих двух материалов, 3 парных электрона создадут друг с другом связи. 4-й электрон кремния не найдет себе пару, а рядом с ним будет находиться пустое место – дырка. Приложив к такому материалу напряжение, дырка начнет перетягивать к себе электроны из соседних связей и появится ток. Если визуализировать данный процесс, то будет казаться, что передвигаются не электроны, а дырки, откуда и пошло название данного типа ПП.
В полупроводниках “n”-типа основным носителем заряда выступают свободные электроны (электронный тип проводимости). Этот тип ПП создается с помощью, например, легирования того же кремния, но уже не алюминием, а фосфором. Кремний, как было указано выше, имеет 4 электрона в своей оболочке, а вот у фосфора их 5. При соединении этих материалов образуются 4 пары связей, а 5-й электрон фосфора остается свободным. Если приложить напряжение к n-полупроводнику, то через него потечет ток, образуемый движением свободных электронов.
При физическом контакте «p» и «n» полупроводников в них без всякой подачи напряжения образуется диффузный ток. Свободные электроны из приграничной зоны контакта n-полупроводника притянутся на место дырок в приграничной зоне p-полупроводника. Таким образом, рядом с границей соприкосновения материалов, называемой «p-n-переходом», возникнет небольшая обедненная область, в которой не будет носителей заряда.
Если подать напряжения через соединенные физически ПП, свободные электроны из n-полупроводника начнут двигаться через зону «p-n перехода» в сторону p-полупроводника. Это вызовет образование интенсивного тока, и вот здесь мы перейдем от теории к предмету разговора – светодиоду.
В светодиодах применяются полупроводники особого типа, а именно такие, которые при протекании тока через зону «p-n-перехода» излучают фотоны или, проще говоря, видимый свет. К таким полупроводникам относятся, например, арсенид/нитрид галлия (GaAs/GaN) или нитрид индия (InN).
Так как свойства полупроводников изменчивы и зависят от внешних условий, для стабильной работы их «наносят» на изолятор, которым в светодиодах является пластина из технического сапфира. Это «нанесение» корректнее даже назвать выращиванием на сапфировой пластине полупроводниковой кристаллической структуры. Процесс этот производится в специальной термокамере при температуре около 1000°C. Если приложить к пластине с таким «напылением» напряжение, то мгновенно появится световое излучение. Готовая пластина сегментируется на мелкие части (чипы). Далее они укладываются в индивидуальные корпуса с металлической или керамической подложкой, обеспечивающей необходимый отвод тепла при работе будущего светодиода.
![Садово-парковое освещение](/upload/iblock/000-blog/25.webp)
Для светодиодов белого свечения (дневного света) подбирается такой состав полупроводников, который при подаче напряжения излучает синий свет. Почему синий? Дело в том, что на излучающий кристалл наносится желтый люминофор, который при смешении с проходящим через него синим светом испускает на выходе белый дневной свет. Поэтому светодиоды в выключенном состоянии имеют желтый окрас.
После нанесения люминофора чип герметизируется силиконом, который обеспечивает защиту кристалла от механических, погодных и других воздействий. Сверху устанавливается пластиковый колпачок, формирующий нужный угол излучения (для стандартных светодиодов обычно 120°), а также служащий светодиоду дополнительной защитой.
Итак, на схеме ниже приведена итоговая стандартная компоновка светодиода, и теперь мы знаем, как он работает!
Cветодиод – это наиболее универсальный и энергоэффективный светотехнический прибор. Как мы выяснили, он работает на основе физического процесса излучения света полупроводниковыми материалами при «p-n-переходе». Этот тип излучения имеет высокий КПД, потому что большая часть приложенной электроэнергии превращается в свет. Лампа накаливания имеет КПД около 4%, а остальные 96% уходят на нагрев вольфрамовой спирали (поэтому к работающей ЛН лучше не прикасаться). У светодиода все ровно наоборот – 2-3% энергии уходят на нагрев, а остальное превращается в свет. Качественно изготовленный светодиод способен проработать до 100 000 часов, то есть в течение 11.5 лет непрерывной работы. Единственное Note Bene – для такой долгой работы светодиоду требуются условия эксплуатации, приближенные к идеальным. Полупроводниковые приборы очень чувствительны ко внешним условиям – и к параметрам сети (нужно стабильное напряжение), и к температуре эксплуатации (недопустим постоянный перегрев), и к погодным условиям. Производители LED-светильников высокого качества учитывают эти нюансы, а поэтому у таких светильников чаще первыми из строя выходят не светодиоды, а источники питания, потому что их ресурс эксплуатации меньше, чем у диодов. Однако при замене источника питания (который по цене составляет в среднем 15-20% от общей цены всего осветительного прибора), светильник продолжает исправно работать.
Энергоэффективность (ЭЭ) флагманских светодиодов на 2022 г. превышает 200 лм/вт, в то время как ЭЭ лампы накаливания примерно 13 лм/вт. Нехитрые математические расчеты показывают, что световой поток светодиода на данном этапе развития технологий в 15 раз выше, чем световой поток лампы накаливания той же мощности.
Опыт нашей работы в светотехнике показал, что при кажущейся высокой цене светодиодного освещения, его окупаемость наступает крайне быстро. При конкуренции светодиодного светильника со ртутной лампой ДРЛ окупаемость LED-оборудования наступает через 10-15 месяцев (при работе от 10 часов в сутки). Если сравнивать светодиодные источники света с лампой накаливания, то окупаемость наступает всего за пару месяцев.
Таким образом, если при модернизации или проектировании освещения нового объекта в качестве световых приборов предполагается использование LED-светильников – это лучшее решение. И по ЭЭ, и по долговечности, и по вариабельности цветовой температуры, и по множеству других параметров.