Luz LED de punto de corriente de 10uA
1. La estructura y el principio de emisión de luz del LED
Hace cincuenta años, la gente conocía los conocimientos básicos de que los materiales semiconductores pueden emitir luz. El primer diodo comercial se produjo en 1960. LED es la abreviatura de diodo emisor de luz en inglés. Su estructura básica es una pieza de material semiconductor electroluminiscente, que se coloca en un estante con cables y luego se sella con resina epoxi para proteger los cables del núcleo interno, por lo que el LED tiene buena resistencia a los terremotos.
El diagrama de la estructura del LED se muestra en la siguiente figura.
La parte central del diodo emisor de luz es una oblea compuesta de semiconductor tipo P y semiconductor tipo N. Hay una capa de transición entre el semiconductor tipo P y el semiconductor tipo N, llamada. unión pn. En la unión PN de algunos materiales semiconductores, cuando los portadores minoritarios inyectados se recombinan con los portadores mayoritarios, el exceso de energía se libera en forma de luz, convirtiendo así directamente la energía eléctrica en energía luminosa. Cuando se aplica un voltaje inverso a la unión PN, es difícil inyectar portadores minoritarios, por lo que no emite luz. Este tipo de diodo fabricado según el principio de electroluminiscencia inyectada se denomina diodo emisor de luz, comúnmente conocido como LED. Cuando está en el estado de funcionamiento directo (es decir, se aplica voltaje CC a ambos extremos), cuando la corriente fluye desde el ánodo al cátodo del LED, el cristal semiconductor emite luz de diferentes colores, desde ultravioleta a infrarroja, y la intensidad de La luz está relacionada con la corriente.
2. Características de las fuentes de luz LED
1. Voltaje: el LED utiliza una fuente de alimentación de bajo voltaje y el voltaje de la fuente de alimentación está entre 6 y 24 V, que varía según las diferentes. Productos, por lo que es mejor que utilizar una fuente de alimentación de alto voltaje. Fuente de alimentación más segura, especialmente adecuada para lugares públicos.
2. Eficiencia: En comparación con lámparas incandescentes con la misma eficiencia lumínica, el consumo de energía se reduce en un 80%.
3. Aplicabilidad: Muy pequeño, cada unidad de chip LED tiene un cuadrado de 3 a 5 mm, por lo que se puede convertir en dispositivos de varias formas y es adecuado para entornos cambiantes.
4. Estabilidad: 654,38+100.000 horas, la caída de la luz es el 50% del valor inicial.
5. Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta de las lámparas incandescentes es de milisegundos y el tiempo de respuesta de las luces LED es de nanosegundos.
6. Contaminación ambiental: No contiene mercurio metálico nocivo.
7. Color: El color se puede cambiar cambiando la corriente. La estructura de la banda de energía y la banda prohibida del diodo emisor de luz se pueden ajustar fácilmente mediante modificación química para lograr un rojo, amarillo, multicolor. emisión verde, azul y naranja. Por ejemplo, un LED que es rojo con poca corriente puede volverse naranja, amarillo y eventualmente verde a medida que aumenta la corriente.
8. Precio: El LED es relativamente caro. En comparación con las lámparas incandescentes, el precio de varios LED puede ser equivalente al precio de una lámpara incandescente. Por lo general, cada conjunto de luces de señalización debe estar compuesto por entre 300 y 500 diodos.
Tres. Tipos e historia del desarrollo de los LED monocromáticos
La primera fuente de luz LED fabricada utilizando el principio de emisión de luz de unión pn de semiconductores apareció a principios de los años 1960. El material utilizado en aquella época era GaAsP, que emite luz roja (λp=650nm). Cuando la corriente impulsora es de 20 mA, el flujo luminoso es sólo de unas pocas milésimas de lumen y la eficiencia luminosa correspondiente es de aproximadamente 0,1 lúmenes/vatio.
A mediados de la década de 1970, la introducción de los elementos In y n condujo a la luz verde (λp=555 nm), la luz amarilla (λp=590 nm) y la luz naranja (λp=610 nm), y la eficiencia lumínica. También se aumentó a 1 lumen/vatio.
A principios de los años 80, aparecieron las fuentes de luz LED GaAlAs, consiguiendo que la eficiencia luminosa de los LED rojos alcanzara los 10 lúmenes/vatio.
A principios de la década de 1990, se desarrollaron con éxito dos nuevos materiales, GaAlInP, que emite luz roja y amarilla, y GaInN, que emite luz verde y azul, que mejoraron enormemente la eficiencia luminosa de los LED. En el año 2000, la eficiencia luminosa de los LED fabricados por los primeros alcanzó los 100 lúmenes/vatio en las zonas roja y naranja (λp=615 nm), mientras que la eficiencia luminosa de los LED fabricados por los segundos alcanzó los 50 lúmenes/vatio en la zona verde (λp =530 nm).
4. Aplicación de LED monocromáticos
Al principio, los LED se utilizaban como fuentes de luz indicadoras para instrumentos. Posteriormente, los LED de varios colores de luz se utilizaron ampliamente en semáforos y pantallas de visualización de gran superficie, lo que produjo buenos beneficios económicos y sociales. Tomemos como ejemplo el semáforo en rojo de 12 pulgadas. En los Estados Unidos, inicialmente se utilizaron como fuentes de luz lámparas incandescentes de baja eficiencia y larga duración de 140 vatios, que producían 2000 lúmenes de luz blanca. Tras pasar por el filtro rojo, se pierde el 90% de la luz, quedando sólo 200 lúmenes de luz roja. En las lámparas de nuevo diseño, Lumileds utiliza 18 fuentes de luz LED rojas, incluidas las pérdidas del circuito, que consumen 14 vatios y pueden producir el mismo efecto de luz.
Las luces de señalización de automóviles también son un área importante de aplicación de fuentes de luz LED. En 1987, mi país comenzó a instalar luces de freno elevadas en los automóviles. Debido a la rápida velocidad de respuesta del LED (nivel de nanosegundos), el conductor detrás del vehículo puede comprender la situación de conducción lo antes posible y reducir la aparición de accidentes por colisión trasera.
Además, las luces LED se han utilizado en pantallas a todo color rojas, verdes y azules para exteriores, linternas en miniatura de llavero y otros campos.
verbo (abreviatura de verbo) el desarrollo de la luz blanca LED
Para la iluminación general, las personas necesitan una fuente de luz blanca. 1998 Se desarrolló con éxito el LED blanco.
Este LED está equipado con chips GaN y granate de itrio y aluminio (YAG). El chip GaN emite luz azul (λp=465 nm, Wd=30 nm) y el fósforo YAG sinterizado a alta temperatura que contiene Ce3+ emite luz amarilla después de ser excitado por esta luz azul, con un valor máximo de 550 nm. El sustrato LED azul se instala en una cavidad reflectante en forma de cuenco y se cubre con una fina capa de resina mezclada con YAG, de aproximadamente 200-500 nm. Parte de la luz azul emitida por el sustrato LED es absorbida por el fósforo y la otra parte de la luz azul se mezcla con la luz amarilla emitida por el fósforo para obtener luz blanca. Ahora, para los LED de luz blanca InGaN/YAG, al cambiar la composición química del fósforo YAG y ajustar el espesor de la capa de fósforo, se pueden obtener varias luces blancas de 3500-10000K. (Como se muestra en la figura siguiente)
La Tabla 1 enumera los tipos actuales de LED de luz blanca y sus principios de emisión de luz. El primer producto que se ha comercializado es un chip monolítico de luz azul más fósforo amarillo YAG. Su eficiencia luminosa óptima es de unos 25 lúmenes/vatio. El YAG se importa principalmente de Japón y Asia, y el precio es de 2.000 yuanes/jin. La segunda es que la compañía japonesa Sumitomo Electric también ha desarrollado un LED blanco de ZnSe, pero la eficiencia luminosa es pobre.
También se puede ver en la tabla que ciertos tipos de fuentes de luz LED blancas son inseparables de cuatro fósforos: polvo tricolor rojo de tierras raras, verde, azul y polvo amarillo con estructura de granate. En el futuro, se espera utilizar tres longitudes de onda de luz, concretamente chips ultravioleta inorgánicos y fósforos de tres colores RGB, para encapsular la luz blanca LED. Se espera que este año haya oportunidades comerciales para los LED de luz blanca de tres longitudes de onda. Sin embargo, los tres fósforos de colores primarios requieren un tamaño de partícula más pequeño y una mayor estabilidad, y aún se están explorando aplicaciones específicas.
Tabla 1 Tipos y principios de LED blancos
Número de chip
Fuente de excitación
Material emisor de luz
Principio de emisión de luz
1
LED azul
InGaN/YAG
La luz azul de InGaN y la luz amarilla de YAG se mezclan para formar luz blanca.
LED azul
InGaN/Fósforo
Los fósforos rojo, verde y azul excitados por la luz azul de InGaN emiten luz blanca.
LED azul
ZnSe
La luz azul emitida por la fina capa de película y la luz amarilla excitada sobre el sustrato se mezclan en luz blanca.
LED UV
InGaN/Fósforos
Los fósforos rojos, verdes y azules excitados por rayos UV de InGaN emiten luz blanca.
2
LED azul
LED amarillo-verde
InGaN, GaP
Los dos colores complementarios El Los chips se empaquetan juntos para formar un LED de luz blanca.
三
LED azul
LED verde
LED rojo
Yinggan
AlInGaP
Tres obleas que emiten tres colores primarios se empaquetan juntas para formar un LED blanco.
Múltiples
Diodos emisores de luz con múltiples colores de luz
InGaN, GaP
AlInGaP
Varias ópticas Los chips repartidos por el área visible se empaquetan juntos para formar un LED de luz blanca.
El uso de fuentes de luz LED para iluminación reemplazará primero a las lámparas incandescentes que consumen energía y luego ingresará gradualmente a todo el mercado de la iluminación, lo que puede ahorrar una gran cantidad de electricidad. Recientemente, el consumo de energía del LED blanco ha alcanzado más de 1 vatio y la salida de luz es de 25 lúmenes, lo que también aumenta su practicidad. La Tabla 2 y la Tabla 3 enumeran el progreso de la eficiencia de los LED blancos.
Tabla 2 Progreso de la eficiencia energética de un solo LED blanco
Edad
Eficiencia luminosa (lúmenes/vatios)
Comentarios
1998
Cinco
199
15
Similar a una lámpara incandescente
2001
25
Similar a las lámparas halógenas de tungsteno
2005
50
Estimado
Tabla 3 Objetivo de desarrollo a largo plazo
LED blanco único
Potencia de entrada
10W
Eficiencia luminosa
100 lúmenes/vatio
p>Energía luminosa de salida
1000 lúmenes/vatio
Descripción general de la industria de los verbos intransitivos
Entre los fabricantes de LED, Nichia tomó la iniciativa en el desarrollo de LED de alto brillo de diferentes longitudes de onda y láseres semiconductores azul-violeta (diodos láser; LD) son las empresas de peso pesado de la industria que poseen los derechos de patente de LED azules. Después de obtener una serie de patentes básicas sobre la producción de LED azules y la estructura de los electrodos, Asia Chemical de Japón insistió en no otorgar autorización a terceros y solo adoptó su propia estrategia de producción en un intento de monopolizar el mercado, lo que resultó en altos precios para los LED azules. Pero otros fabricantes con capacidad de producción lo desaprueban bastante. Algunos fabricantes japoneses de LED creen que la estrategia de Japan Asia Chemical permitirá gradualmente a Japón tomar la delantera en la competencia de LED azules y blancos de los fabricantes de LED europeos y estadounidenses, causando graves daños a la industria LED japonesa en su conjunto. Por lo tanto, muchos fabricantes hacen todo lo posible para desarrollar y producir LED azules.
En la actualidad, además de las japonesas Asia Chemical y Sumitomo Electric, también están Toyoda Gosei, Romu, Toshiba y Sharp, la estadounidense Cree, las tres fábricas de iluminación más grandes del mundo, Singularity, Philips, Osram, HP, Siemens, Research y EMCORE. , han invertido en la investigación y el desarrollo de este producto y han desempeñado un papel positivo en la promoción de la industrialización y comercialización de productos LED blancos.