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.
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.
Подборка подходящих моделей
