Как работают диоды и светодиоды (светодиоды)?

  1. Разница между проводниками и изоляторами
  2. Как работают полупроводники
  3. Как работает соединительный диод
  4. Типы светодиодов
  5. Кто изобрел светодиоды?
  6. Что хорошего в светодиодах?
  7. Что дальше для светодиодов?

от   Крис Вудфорд   ,  Последнее обновление: 13 сентября 2018 г

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 13 сентября 2018 г.

Переместить луковицы: есть лучшие способы сделать свет сейчас! Есть те компактные люминесцентные лампы Например, те, которые экономят вашу энергию и деньги. Но, что еще лучше, есть светодиоды (светодиоды), которые так же ярки, как лампочки, работают практически вечно и практически не потребляют энергию. Светодиод представляет собой особый тип диода (тип электронный компонент, который позволяет электричество течь только в одном направлении). Диоды существуют уже много десятилетий, но светодиоды - это новейшая разработка. Давайте внимательнее посмотрим, как они работают!

Фото: в отличие от раскаленный лампы накаливания (используемые в таких вещах, как фонари), которые сгорают относительно быстро, светодиоды чрезвычайно надежны - настолько, что они обычно припаиваются прямо к электронным платам. Они практически никогда не изнашиваются! Это крошечная светодиодная лампа с панели управления компьютерного принтера.

Разница между проводниками и изоляторами

Разница между проводниками и изоляторами

Фото: светодиоды намного меньше, чем лампочки, и потребляют на столько меньше энергии. Они особенно подходят для использования в приборных панелях, которые должны светиться часами. Сложите вместе много диодов, и вы сможете сделать столько же света, сколько и обычные лампы, но затрачивая на это меньше энергии.

Если вы знаете немного о электричество вы будете знать, что материалы делятся на две категории. Есть такие, которые позволяют электричеству проходить через них довольно хорошо, известные как проводники , а другие, которые практически не пропускают электричество, известны как изоляторы . металлы такие как медь а также золото примеры хороших проводников, в то время как пластики а также дерево типичные изоляторы.

В чем разница между проводником и изолятором? Твердые вещества соединяются вместе, когда их атомы связать В чем-то похожем на пластик электроны в атомах полностью заняты, связывая атомы в молекулы и удерживая молекулы вместе. Они не могут свободно передвигаться и проводить электричество. Но в проводнике атомы связаны друг с другом в другой структуре. Например, в металлах атомы образуют кристаллическую структуру (немного похожую на шарики одинакового размера, упакованные в коробку), и некоторые из их электронов могут свободно перемещаться по всему материалу, неся электричество по ходу движения.

Как работают полупроводники

Не все так аккуратно попадает в две категории проводника или изолятора. Положите достаточно большое напряжение на любой материал, и он станет проводником, будь то обычно изолятор или нет. Вот так работает молния. Когда облако движется по воздуху, накапливая электрический заряд, оно создает огромное напряжение между собой и землей. В конце концов, напряжение настолько велико, что воздух между облаком и землей (который обычно является изолятором) внезапно «ломается» и становится проводником - и вы получаете огромный заряд молнии, когда электричество течет через него.

Некоторые элементы, находящиеся в середине периодической таблицы (упорядоченная группировка химических элементов), обычно являются изоляторами, но мы можем превратить их в проводники с помощью химического процесса, называемого легированием. Мы называем эти материалы полупроводниками, а кремний и германий являются двумя наиболее известными примерами. Кремний, как правило, является изолятором, но если вы добавите несколько атомов элемента сурьмы, вы эффективно добавите несколько дополнительных электронов и дадите ему возможность проводить электричество. Кремний, измененный таким образом, называется n-типом (отрицательным типом), потому что дополнительные электроны (показанные здесь как черные капли) могут нести отрицательный электрический заряд через него.

Таким же образом, если вы добавляете атомы бора, вы эффективно отнимаете электроны от кремния и оставляете « дыры » там, где должны быть электроны. Этот тип кремния называется р-типом (положительный тип), потому что отверстия (показанные здесь как белые капли) могут перемещаться и нести положительный электрический заряд.

Работа: у кремния N-типа есть дополнительные электроны (черные пятна), в то время как у кремния р-типа не хватает электронов, которые мы можем рассматривать как «дополнительные дыры» (белые пятна).

Как работает соединительный диод

Интересные вещи случаются, когда вы начинаете соединять кремний p-типа и n-типа. Предположим, что вы соединяете кусочек кремния n-типа (с немного большим количеством электронов) с кусочком кремния p-типа (с немного большим количеством электронов). Что случится? Некоторые из дополнительных электронов в n-типе будут проникать через соединение (которое называется переходом) в отверстия в p-типе, поэтому с любой стороны от перехода мы получим нормальный кремний, образующийся снова, не слишком много ни слишком мало электронов в нем. Так как обычный кремний не проводит электричество, как и этот переход. Фактически он становится барьером между кремнием n-типа и p-типа, и мы называем его зоной обеднения, потому что он не содержит свободных электронов или дырок:

Предположим, вы подключили аккумулятор к этому маленькому соединению p-типа / n-типа. Что случится? Это зависит от того, каким образом подключен аккумулятор. Если вы положите его так, чтобы отрицательный вывод батареи соединялся с кремнием n-типа, а положительный вывод батареи соединялся с кремнием p-типа, зона истощения резко сокращалась. Электроны и дыры движутся поперек соединения в противоположных направлениях и течет ток. Это называется смещением вперед :

Однако, если вы измените направление тока, все, что происходит, - это то, что зона истощения становится шире. Все отверстия подталкивают к одному концу, все электроны подталкивают к другому концу, и ток вообще не течет. Это называется обратным смещением :

Вот как работает обычный диод и почему он позволяет электрическому току течь через него только одним способом. Думайте о диоде как о электрической улице с односторонним движением. ( Транзисторы Кстати, сделайте идею перехода еще дальше, поместив три разных куска полупроводникового материала рядом, а не два.)

Типы светодиодов

Типы светодиодов

Фото: светодиоды прозрачные, поэтому свет будет проходить через них. Вы можете увидеть два электрических контакта на одном конце и округлые объектив на другом конце. Линза помогает светодиоду генерировать яркий, сфокусированный луч света - как миниатюрная лампочка.

Светодиоды специально сконструированы таким образом, чтобы они излучали свет определенной длины волны, и они встроены в круглые пластиковые лампочки, чтобы сделать этот свет ярче и более концентрированным. Красные светодиоды излучают свет с длиной волны около 630–660 нанометров, который выглядит красным, когда мы видим его, в то время как синие светодиоды излучают свет с более короткими длинами волн около 430–500 нанометров, который мы видим синим. (Вы можете узнать больше о длинах волн света, излучаемых разноцветными светодиодами на этой удобной странице, OkSolar ). Вы также можете получить светодиоды, которые делают невидимым инфракрасный свет, который полезен в таких вещах, как лучи "волшебного глаза", которые вызывают фотоэлектрические элементы в таких вещах, как оптические детекторы дыма а также охранная сигнализация , Полупроводниковые лазеры работают аналогично светодиодам, но делают лучи света чище и точнее.

Кто изобрел светодиоды?

Кого мы должны поблагодарить за это фантастическое маленькое изобретение? Ник Холоняк : он придумал идею светодиодов в 1962 году, когда работал в компании General Electric. Возможно, вы захотите посмотреть короткое (4-минутное) видео о Жизнь и работа Ника Холоняка и его мысли о будущем светодиодов (любезно предоставлено Фондом Лемельсона); если вы чувствуете себя более технически настроенным, вы можете прочитать все о физике твердого тела за светодиодами в патентах, перечисленных в ссылках ниже.

Что хорошего в светодиодах?

Что хорошего в светодиодах

Фото: красные светодиоды, свисающие с верхней части контейнера, используются для проверки способа выращивания картофеля в космосе. Светодиоды больше подходят, чем обычный свет, потому что они не выделяют тепло (что может привести к высыханию растений). Красный свет, излучаемый этими светодиодами, позволяет фотосинтезировать растения (производить свет и воду) более эффективно. Фото любезно предоставлено Центр космических полетов им. Маршалла (NASA-MSFC) ,

В двух словах:

  • Они крошечные и относительно недорогие.
  • Их легко контролировать с помощью электроники.
  • Они длятся практически навсегда. Это делает их блестящими для светофоров.
  • Они излучают свет электронным способом, не нагреваясь, а это означает, что они экономят много энергии.

Что дальше для светодиодов?

Что дальше для светодиодов

Рисунок: Структура раннего дизайна для светодиода синего света, построенного из нескольких слоев на сапфире (подложка Al 2 O 3. Цифры на рисунке указывают: 1 = подложка сапфира; 2 = буферный слой нитрида алюминия; 3 = n слой типа из нитрида галлия, легированного кремнием, 4 = полуизолирующий слой полу-p-типа из нитрида индия-галлия, 5 = слой плакированного нитрида алюминия и галлия алюминия p-типа, 6 = слой p-типа из нитрида галлия легированный магнием; 7 = алюминиевый положительный электрод; 8 = алюминиевый отрицательный электрод; 9 = изолирующая канавка между электродами. В этом случае светодиод излучает свет вниз, как показано желтой стрелкой. Патент США 5,862,167: Светоизлучающее полупроводниковое устройство, использующее соединение нитрида галлия Мичинари Сасса и др. (соавторами являются лауреаты Нобелевской премии Исаму Акасаки и Хироши Амано), предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.

Это лучшая часть пяти десятилетий, с тех пор как Ник Холоняк изобрел светодиод, но технология все еще развивается. В 1970-х годах ученые обнаружили, что они могут изготавливать светодиоды из органических материалов (на основе углерода), создавая ОСИД (органические светодиоды), которые сейчас становятся популярными в тонких, плоских, а иногда даже гибких дисплеях. Два десятилетия спустя три ученых японского происхождения (Исаму Акасаки, Хироши Амано и Шуджи Накамура) изобрели светодиоды синего цвета с использованием полупроводникового нитрида галлия, заработав им Нобелевская премия по физике в 2014 году , Красные и зеленые светодиоды использовались годами - если вы помните ранние цифровые часы, вы будете знать, что их светодиодные дисплеи всегда были красными, но синий свет всегда оказывался неуловимым. Победа над синим светодиодом позволила получить идеальный белый свет (либо путем сочетания красного, зеленого и синего светодиодов, либо путем освещения синего света через белый люминофор), что позволило энергосберегающим светодиодным лампам эффективно конкурировать со старыми и менее эффективные технологии, такие как лампы накаливания а также компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) , В настоящее время светодиоды из нитрида галлия находят применение и в полноцветных цветных дисплеях: они намного ярче и значительно эффективнее конкурентов. LCD дисплеи и OLEDs, хотя не очень хороши при больших размерах экрана.