Теоретический материал светодиоды

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

(ФГБОУ ВО «ХГУ им. Н.Ф. Катанова»)

Институт естественных наук и математики

Кафедра математики, физики и информационных технологий

Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование

профили Математика, Физика

Светодиоды. История открытия и применение

Выполнила:

Косова Юлия Павловна

Группа МФ - 41

Курс 4

Форма обучения очная

Абакан, 2023

Введение 3

1. Свечение «Лосева» 4

2. Устройство светодиода 4

Светодиодное освещение - одно из многообещающих направлений технологий искусственного освещения, основанное на применении светодиодов в виде источника света.

Олег Владимирович Лосев является создателем одного из первых светодиодов. В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары "карборунд - стальная проволока", Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение. Карборунд (карбид кремния) был испробован впервые. Лосев повторил опыт и снова полупрозрачный кристалл под тонким стальным острием засветился. Так было сделано одно из перспективнейших открытий электроники - электролюминесценция полупроводникового перехода. Явление электролюминесценции вызвало большой интерес у учёных с момента его открытия.

В настоящее время светодиоды являются наиболее важной деталью в современной электронной аппаратуре. Долговечность, эффективность и дешевизна делает их оптимальным компонентом для использования в электронных системах. Светодиод - это простой компонент освещения, который реагирует на поступающий электрический ток и преобразует его в свет.

Достаточно долгое время информации о светодиодах было очень мало. Но мир не стоит на месте, современные технологии развиваются довольно быстрыми темпами, и на сегодняшний день светодиоды стали играть очень важную роль в нашей жизни. Появляется все больше и больше компаний и фирм, которые не только продают, но и производят светодиоды. Особенно распространены светодиоды стали в области интерьерного оформления и светового дизайна.

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым.

В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.

1. Свечение «Лосева»

Первый светоизлучающий диод и практическое устройство с его применением создал наш соотечественник, советский инженер-самоучка - Олег Владимирович Лосев (1903-1942).  Он подробно изучил и описал эффект «холодного свечения», полученный при помощи полупроводниковых кристаллов.

Целью экспериментов Лосева было -создание недорогого детектора, без использования ламп, для своего радиоприемника «Кристадина». В 1922году, экспериментируя с кристаллическим детектором для радиоприемника (пара карбид кремния - стальная проволока), Олег Владимирович Лосев обнаружил в месте контакта двух разных материалов «холодное свечение» -  без инерции, разогрева и выделения тепла.

В 1923 г., Лосев впервые сообщил, что наблюдал свечение зеленого света в контактной точке детектора на основе карбида кремния (карборунда), он обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение. Раньше такого явления он не наблюдал, но прежде и использовались другие материалы. Карборунд был испробован впервые.

1. Устройство светодиода

Светодиод - это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении (рис. 3.).

У светодиода есть общепринятая аббревиатура - LED (light-emitting diode), что в дословном переводе на русский язык означает "светоизлучающий диод".

Рис. 3. Внешний вид светодиода и его обозначение на схеме

Самая распространенная конструкция светодиода - традиционный 5-миллиметровый корпус. Конечно, это не единственный вариант «упаковки» кристалла. На рис. 4 показано строение традиционного 5-миллиметрового светодиода.

Рис. 4. Строение традиционного 5-миллиметрового светодиода

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод ("минус"), а другой - анод ("плюс").

Кристаллы светодиодов представляют собой твердый раствор химических веществ, произведенных (или, как говорят, выращенных) по определенной технологии. Например, кристаллы светодиодов, излучающих свет в зеленой и синей части видимого спектра, содержат растворы InGaN/AlGaN/GaN.

Светодиод может состоять из нескольких чипов с различными цветами свечения или одного чипа с несколькими p-n-переходами, излучающими в различных спектральных полосах. Он также может содержать управляющую микросхему, позволяющую подбирать цвет свечения и его интенсивность.

Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Это необходимо для группировки двух проводников с различными типами проводимости.

Сверху светодиод герметично покрывается линзой. Корпус устройства изготавливается в виде цилиндра из эпоксидной смолы. Назначение линзы — создавать определённое распространение света в пространстве и при этом обеспечить как можно больший вывод света из светодиодного чипа.

1. Принцип работы светодиода

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода, то есть контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Для большинства полупроводниковых диодов свечение -просто "побочный эффект", снижающий КПД. Для светодиодов же излучательная рекомбинация - физическая основа их работы.

Представим, что р-n-переход - это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости: один с избытком электронов - «n-тип» (в n-типе доминирующими (основными) носителями тока являются электроны, которые несут отрицательный заряд, отсюда и название n-типа), второй с избытком дырок - «р-тип» (в p-типе доминирующими носителями являются дырки, которые несут положительный заряд).

P-n переход или электронно-дырочный переход, является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.

Рис. 6. P-n переход

Электрический ток преобразуется в свет в кристалле

Принцип действия светодиода заключается в появлении свечения при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе под действием тока, приложенного в прямом направлении. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой появляются фотоны.

Были рассмотрены строение и принцип работы светодиода, а также свечение «Лосева», которое послужило толчком в развитии светодиодного освещения. Именно благодаря Олегу Владимировичу Лосеву, сегодня мы наслаждаемся светом, который дает современный светодиодный светильник.

Глоссарий

• Рекомбинация - процесс перехода свободного иона в связанное состояние в поле другого иона. 

• Светодиод (LED) - это полупроводниковый источник света, который излучает свет при протекании через него тока.

• КПД - это физическая величина, равная отношению полезной работы ко всей совершённой работе.

• Р-n переход (электронно-дырочный переход) - это область, в которой соприкасаются два полупроводника, имеющие разный тип проводимости (p-тип и n-тип).

• Фото́н - фундаментальная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света).