Struktura

LED

LED

Obr. 1: Značka

Název LED (Light Emitting Diode), znamená dioda, která vyzařuje světlo. Je využíván princip luminiscence, při které jsou PN přechodem vyzařovány fotony jako kvanta zbytkové energie po rekombinaci nosičů náboje.

Děj probíhá následovně:

Přiložením napětí v propustném směru dochází k injekci minoritních nosičů elektrického náboje přes PN přechod (proud diodou). Při přechodu elektrických nábojů přes přechod dochází k rekombinaci elektronů s děrami. Vlivem přiloženého elektrického pole přešly elektrony na vyšší elektronovou hladinu.

Obr. 2: Dioda LED – příklad pouzdra

Elektron zůstane ve vyšší hladině (tj.se zvýšenou energií) různou dobu podle toho, jak stabilní bude jeho stav. Dříve či později však z vyšší hladiny přeskočí zpět na nižší hladinu. Na udržení na nižší hladině mu však stačí méně energie a rozdíl energií (=šířka zakázaného pásu) se vyzáří jako elektromagnetické kvantum (foton). Velikost energie fotonu pak určuje barvu vyzářeného světla. Učiní tak sám od sebe, proto hovoříme o spontánní emisi záření. Kdy se tak stane, je náhodné pro každý jednotlivý atom.

Světelné záření opouští destičku ve všech směrech, které jsou pro něj průhledné. V oblasti středních proudů je svítivost LED přímo úměrná hustotě proudu v polovodiči.

To, jestli se rozdíl energií vyzáří mimo krystal nebo má být pohlcen v krystalové mřížce jako teplo (projeví se zvýšením teploty krystalu), závisí na typu materiálu polovodiče.

Pravděpodobnost zářivé rekombinace roste se zvětšující se šířkou zakázaného pásu a tím vyzářené energie. U křemíku s šířkou zakázaného pásu 1,1 eV je uvolňovaná energie převážně absorbována v krystalu jako teplo, které je přes pouzdro diody vyzářeno do okolí. Vyrobíme-li diodu z GaAs (galium-arsenid) se šířkou zakázaného pásu 1,34 eV, bude již část energie vyzařována ve formě fotonů, zatím však ještě v oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinací tohoto materiálu s fosforem získáme materiál GaAsP (galium-arsenid-fosfid), který, je-li z něj vytvořen PN přechod, vyzařuje červené viditelné záření.

U LED rozlišujeme dva typy PN přechodů.

Homogenní přechody jsou nejjednoduššími typy přechodů. Jsou vyrobeny z jednoho kusu materiálu, PN přechod je vyroben pomocí dotace příměsí. Používá se pro nejlevnější LED.

Heterogenní přechody se vyrábějí spojením ze dvou různých polovodičových materiálů, jako např. GaAs. Heterogenní přechody obsahují více přechodů PN, jsou výkonnější než diody s homogenním přechodem, složitější a dražší. Používají se zejména u laserových diod a LED s velkou svítivostí.

LED mohou vyzařovat paprsky v infračervené, ve viditelné či ultrafialové části spektra. Barvu vyzařovaného optického záření určuje použitý materiál.

Nejčastěji používanými materiály jsou sloučeniny prvků III. a V. skupiny periodické soustavy prvků jako GaP, GaAsP, AlGaInP (barvy od zelené do červené), GaN, Sic pro barvy modré. Barva LED je často udávána v nm vlnové délky vyzařovaného světla.

Spektrální charakteristika LED zobrazuje poměrnou svítivost diody v závislosti na vlnové délce vyzařovaného světla.

RGB LED (tj. Red – Green - Blue) a bílé LED se vyrábí tak blízkým sestavením tří samostatných LED jednotlivých barev, že je oko vnímá jako jednu barvu. Různým poměrem smíchání jednotlivých RGB-složek je možno generovat všechny barvy včetně bílé. Vyrábí se se čtyřmi (propojené anody či katody) nebo se šesti vývody. RGB LED se používají pro signalizaci v elektronických přístrojích a sestavené do matic jako velkoplošné barevné zobrazovače.

Mimo uvedené typy jsou vyráběny také dvoubarevné diody. Jejich pouzdra mají dva nebo tři vývody. V pouzdru jsou dva čipy LED různých barev. V pouzdrech se dvěma vývody jsou diody spojeny antiparalelně. Při jedné polaritě připojeného napětí svítí jedna barva a při opačné svítí druhá barva. Diody umístěné v pouzdrech se třemi vývody mají jednu elektrodu (katoda nebo anoda) společnou. Kombinace barev jsou různé.

Bílé optické lze získat buď využitím vícebarevných LED, nebo použitím LED a luminoforu.

Svítivost LED se měří pro určitý jmenovitý proud diodou v propustném směru a udává se v mcd (milicandela). Svítivost LED je závislá na provedení čipu, typu přechodu, použitém materiálu, provedení a materiálu pouzdra atd. Obecně se setkáváme s kategoriemi standard (svítivost cca 3 až 30 mcd/10 mA), zvýšená svítivost (cca 100 až 1000 mcd/20 mA), vysoká svítivost (větší než 1000 mcd/20mA).

Diody LED jsou standardně vyráběny v provedení klasickém s vývody do plošného spoje a SMD pro povrchovou montáž. Pouzdro diod je zpravidla vyrobeno z průhledného plastu určité barvy a je buď čiré (svítí jen malý čip uprostřed), nebo difúzní (rozptýleným světlem svítí celé pouzdro). Pouzdro může mít různé tvary. Nejčastější je kruhový tvar.

Příklad konstrukčního uspořádání LED pro klasickou montáž je na obrázku 3. Čip LED je přitmelen ke kovovému vývodu katody. Anoda je s vývodem propojená pomocí přivařeného zlatého drátku.

obrazek

Obr. 3: Dioda LED - struktura

Průběh V-A charakteristiky LED odpovídá charakteristice klasické diody. Rozdíl je v napětí mezi anodou a katodou v propustném směru. Napětí U je dáno použitým materiálem.

Obr. 4: Dioda LED, V-A charakteristika v propustném směru pro různé barvy generovaného záření

Důležité parametry LED

  • IF = stejnosměrný propustný proud (trvalý proud, při kterém dioda emituje optické záření);

  • IFM = propustný proud špičkový – protože průtokem proudu vzniklá teplo, je maximální velikost propustného proudu omezena na hodnotu IFM;

  • UR = napětí v závěrném směru – protože jsou LED vyráběny k efektivnímu vyzařování optického záření a není při jejich konstrukci sledována velikost povoleného závěrného napětí URmax. Velikost tohoto napětí může nabývat podle typu diody hodnot od jednotek V do více než deseti V. Proto výrobci LED doporučují, aby byl při větším reverzním napětí než UR > 3V použit ochranný obvod s pomocnou ochrannou diodou;

  • Pm = výkonová ztráta – při jejím zvýšení dochází ke zvýšení teploty a tím ke zmenšení spolehlivosti diody;

  • TOPR = rozsah provozních teplot – rozsah teplot prostředí, ve kterém může dioda pracovat při zaručených hodnotách IF;

  • IR = závěrný proud – proud, který protéká po přiložení závěrného napětí, je podstatně menší než proud v přímé směru IF;

  • IV = svítivost – intenzita optického záření měřená ve vzdálenosti jedné stopy (asi 30 cm) od diody v mcd;

  • λ = vlnová délka – je to hodnota, při které vykazuje dioda největší intenzitu záření.

V závislosti na konstrukčním uspořádání LED a provedení jejího pouzdra může mít vyzařovací charakteristika diody různou šířku a různý tvar.

Výrobci udávají tzv. poloviční vyzařovací úhel. Je to úhel na vyzařovací charakteristice, při kterém má vyzařování poloviční intenzitu (0,5) a ne maximální (1).

Poloviční vyzařovací úhly vyráběných diod bývají asi± 15℃ u diod s čirým pouzdrem a do ± 60℃ u diod s difúzním pouzdrem.

Někteří výrobci dodávají LED se zabudovaným rezistorem, určené pro přímé připojení do obvodů s normalizovaným napájením (např. TTL s napětím 5 V). Zjednoduší to aplikaci a šetří místo na plošném spoji.

Jas LED lze zvýšit impulsním napájením, ale nesmí být překročena mezní výkonová ztráta Pm .

Dílčí lekce

Zdroje

  • KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

  • Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Značka, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Dioda LED – příklad pouzdra, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Dioda LED - struktura, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Dioda LED, V-A charakteristika v propustném směru pro různé barvy generovaného záření, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Logolink