Реферат на тему светодиоды
Обновлено: 06.07.2024
1. Введение………………………………………………………….
2. Гетероструктура……………………………………………………….
3. Светодиоды…………………………………………………………….
3.1 Принцип работы светодиода………………………………………
3.2 Органический светодиод………………………………………….
3.2.1 Принцип действия органического светодиода………………
3.2.2 Применение органического светодиода…………………….
4. Лазер ……………………………………………………………………..
4.1 Устройство лазера………………………………………………….
4.1.1 Источник энергии……………………………………………….
4.1.2 Рабочее тело…………………………………………………….
4.1.3 Оптический резонатор………………………………………….
4.2 Принцип действия лазера………………………………………….
4.3 Применение лазеров……………………………………………….
5. Полупроводниковый лазер……………………………………………
5.1 Принцип действия…………………………………………………..
5.2 Лазеры на двойной гетероструктуре…………………………….
5.3 Диод с квантовыми ямами…………………………………………
5.4 Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием………..
5.5 Применение полупроводникового лазера………………………..
6. Заключение…………………………………………………………….
7. Список используемых источников………………………………….
Вложенные файлы: 1 файл
Реферат.docx
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ
Кафедра автоматизированного электропривода
и промышленной электроники
«Светодиоды и лазеры
Выполнил: студент гр. АПЭ-08
Проверил: доц. Терехов Н.И.
3.1 Принцип работы светодиода………………………………… ……
3.2 Органический светодиод………………………………………….
3.2.1 Принцип действия органического светодиода………………
3.2.2 Применение органического светодиода…………………….
4.1.3 Оптический резонатор………………………………………….
4.2 Принцип действия лазера………………………………………….
5. Полупроводниковый лазер……………………………………………
5.2 Лазеры на двойной гетероструктуре…………………………….
5.3 Диод с квантовыми ямами…………………………………………
5.4 Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием………..
5.5 Применение полупроводникового лазера………………………..
7. Список используемых источников………………………………….
Современная наука наперегонки бежит с современными же технологиями. Обыватель зачастую не успевает удивляться техническим и технологическим чудесам, отмечая, что будущее уже наступило…
Например, всего чуть более ста лет прошло с момента изобретения первой лампы накаливания, достойной массового производства и применения. А сегодня ночные города сияют электрическими иллюминациями, одна краше другой. Устраиваются грандиозные лазерные представления. Этой красотой, как и возможностям искусственного освещения, мы обязаны достижениям науки в области создания электрических источников света, а также разработчикам и производителям. Сегодня наиболее перспективными разработками в этой области являются полупроводниковые светодиоды и лазеры, возможности которых далеко превосходят привычные источники света.
Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны.
Для роста используют много методов, среди которых можно выделить два:
Молекулярно-лучевая эпитаксия и MOCVD.
Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.
За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов получил Нобелевскую премию в 2000 году.
В рамках развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей, лазеров и светодиодов.
При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
3.1 Принцип работы светодиода
Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход.
Изобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.
3.2 Органический светодиод
Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) — органический светоизлучающий диод) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.
Основное применение технология OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.
3.2.1 Принцип действия органического светодиода
Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.
Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.
В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.
3.2.2 Применение органического светодиода
На сегодняшний день OLED-технология применяется многими разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов ночного видения. Дисплеи OLED встраиваются в телефоны, цифровые камеры и другую технику, где не требуется большого полноцветного экрана. Такие дисплеи широко применяются в мобильных телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, MP3-плееров и т. д.
Также есть и мониторы на основе органики (Epson, Samsung — достигнут 40" предел).
Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
4.1 Устройство лазера
4.1.1 Источник энергии
Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция, взрывчатое вещество.
Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.
Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED
Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.
Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов.
Содержание работы
Введение
Понятие, виды, структура светодиодов
Свойства и характеристики светодиодов
Возможности, применение и недостатки светодиодов
Заключение
Список литературы
Файлы: 1 файл
реферат.docx
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Факультет заочного обучения
По теме светодиоды
Проверил Ниязов А.М.
Выполнил Стрелков И.В.
Понятие, виды, структура светодиодов
Свойства и характеристики светодиодов
Возможности, применение и недостатки светодиодов
Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED
Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.
Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее!
Многослойные тонкопленочные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение органических светодиодов — OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.
Дисплеи из органических светодиодов широко применяются в сотовых телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.
Понятие, виды, структура светодиодов
Светодиод-это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.
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").
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.
Принцип работы светодиода заключается в следующем: свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя [1].
Светодиод хорош тем, что в нём, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света
Плох светодиод только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.
Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.
В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.
К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.
Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)
У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал кпд и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.
Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но . проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.
Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, но работы Панкова не поддержали [5].
Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.
Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.
Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.
Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10 — 20 млн. голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.
Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.
В принципе такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из СД – красного, зелёного или голубого – можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих токах и напряжениях интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для синтеза белого цвета. Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ неудобен, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СД. Второй и третий способы – смешение голубого излучения СД с излучением либо жёлто-зелёного люминофора, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучением. На рис. 3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора [6].
Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть голубого излучения возбуждала люминофор, а часть – проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы излучение имело белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас исследуется около десятка различных люминофоров для белых СД. На рис. 4 показано строение 5мм светодиода, излучающего белый свет. Четвертый способ – смешение из лучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. На рис. 5 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора. Этот способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ-спектру излучения кристалла СД. Светоотдача белых СД ниже, чем светоотдача СД с узким спектром, поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть её теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших белых СД 25 .30 лм/Вт.
Светодиодные лампы - это современная альтернатива традиционной лампе накаливания.
Светодиодные энергосберегающие лампы предназначены для использования, как на улице, так и внутри помещения, сочетают в себе традиционное исполнение (цоколь Е-27, Е-14, MR-16, GU-10) и высокую надежность, отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения вредного для здоровья, высокую насыщенность и чистоту цвета.
1. Светоизлучающий диод. Принцип работы
Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emittingdiode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.
Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника.
Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A III B V (например, GaAsили InP) и A II B VI (например, ZnSe или CdTe).
Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Диоды, сделанные изнепрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают.
Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
2. Преимущества и недостатки светоизлучающего диода
Преимущества, которыми обладает светоизлучающий диод (СИД) по сравнению с традиционными лампами, позволяют с уверенностью утверждать, что появление новых типов осветительных приборов на основе СИД станет революционным технологическим прорывом в светотехнике.
Впервые светодиоды стали использоваться в промышленной продукции во времена СССР в конце 60-х – начале 70-х гг. Тогда они не обладали требуемой для осветительных приборов светоотдачей, ресурс их был невелик, и светили они не белым цветом, как нужно, а красным или каким-то иным. Все упиралось в материалы. В 90-х гг. по понятным причинам работа над созданием светоизлучающих диодов была приостановлена.
В мире же, наоборот, подобные работы велись нарастающими темпами, и был создан новый материал – нитрид галлия на сапфире, позволивший достичь свечения белого цвета. Особенно в этом плане преуспела японская компания Nichia и ее коллеги-конкуренты из других сопутствующих фирм, разработавшие пять технологических блоков процесса изготовления светильников:
- рост кристаллов сапфира по методу Киропулоса;
- механическую обработку кристаллов сапфира, в т.ч. резку, шлифовку и полировку пластин до 14 класса;
- эпитаксиальное наращивание нитрида галлия на полированных подложках сапфира методом газотранспортных реакций;
- изготовление на эпитаксиальных структурах методом электронной литографии чипов светодиодов;
- сборочное производство (корпусирование) светодиодов.
В настоящее время в мире кристаллы светодиодов поставлены на массовое производство, и ежегодно общемировой прирост объемов их выпуска увеличивается на 30–40%. По результатам 2008 г., мировой рынок светодиодов достиг 25–30 млрд долл.
В настоящее время разработана целая серия осветительных приборов, в т.ч. идентичных по цоколю лампам накаливания мощностью от 40 до 100 Вт, с энергопотреблением 4–10 Вт. Значительно расширены сферы, в которых могут быть использованы приборы. Фактически речь идет о возможной замене существующих ламп накаливания и люминесцентных ламп светильниками на СИД.
Можно отметить основные преимущества ламп на светодиодах:
- низкое энергопотребление – в 10 раз ниже, чем у обычной лампы накаливания, и на 20–25% ниже, чем у энергосберегающей люминесцентной лампы;
- лампы на светодиодах не требуют особой системы утилизации, т.к. они, в отличие от люминесцентных ламп, экологически безвредны. Светодиод не представляет вреда для экологии, его размеры относительно малы;
- пожаро- и взрывобезопасность;
- полная цветовая гамма излучения;
- высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света;
- высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
- спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром;
- малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком;
- безопасность — не требуются высокие напряжения;
- нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
Недостатки ламп на светодиодах:
- основной недостаток — высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50 — 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания;
- низкая предельная температура:
мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком мелкие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). Осветительный светодиод мощностью 10 Ватт требует пассивный радиатор размером как у микропроцессора Pentium 4 без вентилятора. Такой большой радиатор не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов;
- для питания светодиода от питающей сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, тоже с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты. Поэтому многие разработчики ограничиваются выпрямителем, а светодиоды включают последовательно;
- высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты без сглаживающего конденсатора, при его наличии пульсации малы;
- дешёвые массовые LED имеют светоотдачу 60-100 лм/Вт;
- спектр отличается от солнечного.
3. Область применения
Также разрабатываются различные осветительные приборы: для нумерации домов и улиц, заградительных огней, рекламных щитов, светофоров и табло обратного отсчета времени, освещения лифтов и подъездов домов.
Сейчас ведется работа для создания серии осветительных приборов, необходимых для жилищно-коммунального хозяйства, ТЭКа, транспорта и связи.
В плане уличного освещения ученые ориентируются на создание небольших тротуарных или парковых светильников, при этом разрабатывается светильник с энергопитанием от солнечных батарей. Другими словами, батарея, находящаяся над светодиодным светильником, вырабатывает энергию, которая накапливается в аккумуляторе, а ночью используется для освещения. Ввиду того, что энергопотребление у светодиодов низкое (5–10 Вт), солнечные батареи вполне могут обеспечивать данный светильник.
Светодиодное освещение применяется в светотехнике для создания дизайнерского освещения в специальных современных дизайн - проектах. Надёжность светодиодных источников света позволяет использовать их в труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение, внутри натяжных потолков и т. д.).
Декоративная светодиодная подсветка в основном применяется для праздничной иллюминации. Для чего используется новогоднее украшение - светодиодная гирлянда. В период праздников, (в большей степени новогодних) их можно увидеть на улицах городов, они украшают деревья, фасады зданий и другие уличные объекты.
Светодиоды в душевой. Cromobox — инновационные светодиодные двери для душевых комнат, изменяющие окраску в зависимости от температуры воды и времени суток.
4. Стоимость светодиодного светильника, пути снижения себестоимости
Энергосберегающая люминесцентная лампа (если сравнивать с ней) марок Philips и Pila стоит 15–80 грн. Лампа на светодиодах даже при единичном пробном выпуске обходится в 100–200 грн.
Если наладить ее выпуск на автоматизированной линии, цена понизится. Но значительного снижения цены можно достичь при использовании в производстве собственных светодиодов, т.е., закупив линию их сборки, можно получить снижение цены до 30%.
Таким образом, цена будет фактически сопоставима с ценой люминисцентных энергосберегающих ламп, но здесь нужно учитывать, что светодиодная лампа по многим пунктам выгоднее.
Также немаловажный аспект – таможенные налоговые льготы. В производстве используются импортные исходные комплектующие, и льготы, предусмотренные законом для особых экономических зон, принесут немалую выгоду. В частности, поэтому ожидается на выходе получать более дешевый продукт в виде светодиодных светильников и, соответственно, более массовое его производство.
5. Перспективы светодиодных ламп в сфере ЖКХ, на широком рынке
Если в жилищно-коммунальном и дорожном хозяйствах заменить традиционные лампы на светодиодные, то экономия электроэнергии в масштабах всей страны составит 20–25%, т.е. именно на столько можно сократить выработку электроэнергии. Налицо очевидная выгода. В целом, принимая многие факторы во внимание, ожидается, что рынок светодиодов в странах СНГ будет расти в геометрической прогрессии.
Таблица 1. Сравнительная характеристика ламп.
| Тип светоизлучателя | Потребляемая мощность, Вт | Срок службы, час. | Коэффициент преобразования электроэнергии, % | Удельная эффективность, Лм/Вт | Возможность получения основных цветов |
| Лампа накаливания | 60 | 1000–2000 | 10–15 | 20–25 | Дневной свет, цветные светофильтры |
| Люминесцентная лампа | 20–30 | 6000–6500 | 20–25 | 40–80 | Дневной свет, цветные светофильтры |
| Светоизлучающий диод | 3–15 | 100000 | 60–65 | 70–100 | Непосредственное получение красного, зеле- ного, синего, белого цветов |
6. Использование светодиодных ламп для передачи информации в современных коммуникационных сетях
Основой технологии послужит одна из главных особенностей светоизлучающих диодов, которая отличает их от обычной лампы накаливания, — способность быстро, незаметно для человека включаться и выключаться. Мерцание света, происходящее с большой частотой, позволит передавать информацию без заметных изменений в уровне освещенности комнаты.
Изначально прогнозируется скорость передачи данных от 1 до 10 Mbps. Однако разработчики заявляют, что потенциальная пропускная способность таких сетей может быть гораздо выше, чем у ныне существующих радиоволновых. Кроме того, поскольку видимый свет не проникает через непрозрачные поверхности, такие как стены, подобные сети будут лучше защищены от прослушивания, чем традиционные — на радиочастотах.
Самым очевидным недостатком подобной технологии является, конечно, необходимость располагать сетевые устройства в зоне видимости светодиодной лампы. Но в сравнении с преимуществами и удобствами технологии это не кажется таким большим минусом.
Инновационная светодиодная лампа - наиболее актуальный на сегодняшний день продукт новейших технологий, воплощенных в высококачественных, надежных электротехнических изделиях, которые прослужат долго. Использование светодиодных ламп позволит значительно сократить расходы на освещение, при этом не ухудшая его видимое качество и безопасность для здоровья человека и окружающей среды, а напротив – улучшая.
Принцип размещения ламп в помещениях не меняется, технологии позволяют выпускать светодиодную лампу с обычным цоколем, то есть переоборудовать ничего не нужно.
В дальнейшем ожидается настоящий бум по переоснащению на светодиодную технологию. В России уже запущены многомиллиардные проекты по постройке специализированных заводов для производства светодиодных ламп различного вида.
В данной работе дается определение светодиоду, рассматриваются свойства светодиода и лампы накаливания, виды светодиодов, применение светодиодов в жизни человека.
Работа состоит из введения и основной части. Во введении обоснована причина выбора темы исследования. Далее приведены аргументы подтверждающие важность выбранной темы. В основной части, рассматриваю теорию о светодиодах, исторические факты, положительные свойства и преимущества, применение светодиодов в жизни человека, эксперименты, делается вывод о том, что светодиоды находят широкое применение в жизни человека и светодиоды вытесняют другие источники света.
Введение
Люди всё чаще стали использовать светодиодные лампы вместо обыкновенных ламп накаливания. И мне стало интересно, почему так происходит. Я решила узнать, что такое светодиод (рис.1), как он работает, какие его преимущества перед лампой накаливания. Так же мне захотелось выяснить, как широко человек использует светодиод.
Гипотеза исследования: так как светодиоды находят широкое применение, то возможно они превосходят по своим свойствам лампы накаливания.
Объект исследования: светодиоды
Цель исследования: выяснить, какими преимуществами обладают светодиоды и как их используют в жизни Рис.1
Исследовать литературу.
Найти области применения светодиодов.
Провести опрос
Провести серию экспериментов, сравнить светодиоды и лампу накаливания
Сделать выводы по полученным данным.
анализ литературы
эксперимент
сравнение
частично – поисковый
Глава 1 Обзор литературы
При написании своей работы я использовала ресурсы сети Internet и учебник физики за 8 класс А.В. Перышкин. Из этих источников я взяла исторические факты о источнике света, некоторые характеристики и данные о светодиодах. Также в работе мной использованы и другие интернет источники.
1.1 История создания
Светодиод или светоизлучающий диод— полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока.
В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.
В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Судзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации Nichia Chemical Industries, смогли изобрести дешевый синий светодиод (LED). За открытие дешевого синего светодиода им троим, была присуждена Нобелевская премия по физике в 2014 г. Синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.
1.2 Виды светодиодов
Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения. (Рис.3)
Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. (Рис.4)
Современные мощные сверхъяркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа. (Рис.5)
Мощный белый светодиод 20Вт в сравнении с красным индикаторным 5 мм светодиодом. (Рис.6)
1.3 Строение светодиода
полупроводниковый кристалл на подложке
корпус с контактными выводами
оптическая система. (Рис.7)
1.4 Принцип работы
В основе принципа действия светодиода лежит явление рекомбинации (исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии) подвижных носителей электрических зарядов. При этом происходит переход возбужденного электрона с высокого энергетического уровня на более низкий, что сопровождается выделением электромагнитного излучения и тепловой энергии.
Характеристики лампы накаливания и светодиода.
Свойство | Лампа | Светодиод |
Потребление электроэнергии | Большое | В 10 раз меньше обычной лампы |
Срок использования | Короткий | Длительный |
Нагрев при работе | Есть | Нет |
Яркость свечения | Тусклый | Яркий |
Цветовая гамма | Отсутствует | Различная |
1.5 Цветовая гамма
Рис.9
1.6 Свойства светодиодов
1.7 Применение светодиодов
Светодиодные технологии освещения благодаря эффективному расходу электроэнергии и простоте конструкции нашли широкое применение в светильниках, прожекторах, светодиодных лентах, декоративной светотехнике и особенно в компактных осветительных приборах — ручных фонариках. Светодиодные осветительные приборы подразделяются на уличные и интерьерные. Сегодня их применяют для подсветки зданий, автомобилей, улиц и рекламных конструкций, фонтанов, тоннелей и мостов. Данное освещение используют для подсветки производственных и офисных помещений, домашнего интерьера и мебели
В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента)
В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны)
В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
В светодиодных дорожных знаках.
В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
В растениеводстве
Глава 2. Материалы и методы исследования
2.1.Анализ полученной информации из сети Internet
2.2. Эксперименты по проявлению свойств светодиодов
Эксперимент - истинный посредник между человеком и природой.
(Л. да Винчи)[8] Следуя этому правилу, я решила самостоятельно убедиться на опыте в положительных качествах светодиодов, сравнив их с лампой накаливания. Вместе с моим научным руководителем, мы провели серию опытов.
Глава 3. Результаты исследования
3.1. Исследование применения светодиодов
3.2. Результаты экспериментов
3.2.1 Потребление электроэнергии светодиода и лампы накаливания
Цель: Сравнить потребление электроэнергии светодиода и лампы накаливания
Источник постоянного тока
Соединительные провода
Измерительные приборы (вольтметр и амперметр)
Лампа накаливания
Светодиод
Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока, проводов, лампы накаливания, амперметра и вольтметра. (Фото автора 1)
Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока, проводов, светодиод, амперметра и вольтметра.(Фото автора 2)
Источник постоянного тока
Соединительные провода
Измерительные приборы (вольтметр)
Лампа накаливания
Светодиод
Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока, проводов, лампы накаливания и вольтметра.
Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока, проводов, светодиод и вольтметра.
Включаем цепь. (Фото автора 3)
Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока, проводов и светодиодов. (Фото автора 5)
Для лампы накаливания:
P=12 B*0.08 A=0.96 Вт
P=12 B*0.01 A=0.12 Вт
3.2.2 Яркость свечения светодиода и лампы накаливания
Цель: Сравнить яркость свечения светодиода и лампы накаливания
Фото автора 3
Вывод: При сравнении лампы и светодиода заметна разница в яркости свечения при постоянном напряжении. Светодиод оказался ярче.
3.2.3 Цветовая гамма свечения
Цель: Сравнить цветовую гамму свечения лампы накаливания и светодиодов.
Очевидно, что цветовая гамма светодиодов представлена в большем количестве, чем у ламп накаливания.
Заключение
В ходе этой работы я узнала, что светодиоды имеют широкое применение в жизни человека, так как он имеет больше положительных свойств перед другими источниками света. Опытным путем я выяснила то светодиоды потребляют меньше электроэнергии, более яркие, чем другие источники света, и имеют широкую цветовую гамму свечения.
Изучая литературу, я узнала, что положительных свойств светодиода оказалось намного больше, чем я предполагала. Наблюдая за различными световыми приборами дома и в школе, я выяснила, что светодиоды нашли широкое применение.
Со светодиодами сейчас знакомы все. Без них просто немыслима современная техника. Это светодиодные фонари и лампы, индикация режимов работы различной бытовой техники, подсветка экранов компьютерных мониторов, телевизоров и так далее. Все перечисленные устройства содержат светодиоды видимого диапазона излучения различных цветов. Современные технологии позволяют получить практически любой цвет. Основная область применения таких светодиодов — это устройства автоматики и управления. Это все еще раз доказывает, что светодиоды постепенно вытесняют обычные лампы накаливания из повседневной жизни.
Читайте также: