Elektronika laboratorium

Ćwiczenie 2

Diody półprzewodnikowe

1. Wykresy charakterystyk prądowo napięciowych diod w kierunku zaporowym i przewodzenia

2. Definicja i sposoby doświadczalnego wyznaczania napięcia progowego

Napięcie progowe jest to napięcia charakterystyczne dla każdego rodzaju diody, przy którym następuje przewodzenie diody. Poniżej tego napięcia, prąd ma bardzo małą wartość. Napięcie progowe dla diod krzemowych wynosi około 0,7V a dla diod germanowych około 0,3V. Typowa charakterystyka diody krzemowej wraz z zaznaczonym napięciem progowym U_TO pokazany jest na obrazku poniżej:

Metoda doświadczalnego wyznaczania napięcia progowego, polega na dokonaniu pomiarów prądu przy stopniowo zwiększanym napięciu, następnie na podstawie otrzymanych wyników wyznaczeniu charakterystyki prądowo napięciowej diody. Punkt na osi U w którym prąd zaczyna nagle wzrastać, jest napięciem progowym. By wyznaczone napięcie progowe było w miarę dokładne należy dokonać pomiaru charakterystyki w możliwie dużej ilości punktów napięcia.

Wyznaczanie parametrów badanych diod

Wyznaczanie napięcia progowego U_t badanych diod odbyło się poprzez pomiar charakterystyk prądowo napięciowych.

Schemat pomiarowy:

• Użyte przyrządy pomiarowe:

• Zasilacz – Metex MS-9150

• Woltomierz – Aglient 33405A

• Miliamperomierz – Aglient 33405A

Przy pomiarze w kierunku zaporowym należy użyć metody poprawnie mierzonego prądu, natomiast przy pomiarze w kierunku przewodzenia – metody poprawnie mierzonego napięcia.

Dioda krzemowa prostownicza:

Użyta do pomiarów dioda to KD213A. Tabela pomiarowa:

Polaryzacja w kierunku przewodzenia
IF[A]
Uf[V]

U_P=0,58V

Polaryzacja w kierunku zaporowym:

Polaryzacja w kierunku zaporowym
IR[µA]
UR[V]

Parametry katalogowe diody KD213A:

U_BR=200V

I_F=10A

U_t=1V

I_R=0.2mA

Porównując wyniki pomiarów do danych katalogowych, można uznać że badany egzemplarz ma znacznie lepsze parametry niż podaje to producent. Napięcie progowe jest niemal połowę niższe, a prąd zaporowy 1000 razy mniejszy.

Wyznaczanie rezystancji szeregowej, prądu zerowego I współczynnika złącza

współczynnika złącza;

gdzie:

I₀ – to prąd zerowy złącza wyznaczony jako przedłużenie wykresu (w skali log-lin) z osią prądu

R_S – rezystancja szeregowa diody wyznaczona jako różnica napięć idealnej charakterystyki do prądu płynącego przez diodę lub nachylenie charakterystyki I_F(U_RS)

U_RS – spadek napięcia na rezystancji R_S

η – współczynnik złącza jako nachylenie wykresu (w skali log-lin)

U_T – potencjał termodynamiczny

Charakterystyka logarytmiczno-liniowa diody krzemowej:

Przedłużając ekstrapolowany wykres do przecięcia z osią prądu, wyznaczony prąd nasycenia I₀ wynosi 0,03A

Napięcie na rezystancji R_S jest różnicą napięć U_F , U_P.

U_P = 0,58 [V]

U_RS = U_F - U_P

IF[A]	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,56	1,1
URS[V]	-0,06	-0,03	-0,03	-0,024	0	0	0	0,01	0,018	0,02	0,026	0,07

Współczynnik złącza wyznaczymy ze wzoru

$$R_{s} = \frac{U}{I_{F}}$$

rr ≈ ΔUF/ΔIF

rr ≈ ηUT/IF

Rezystancje i współczynnik złącza dla trzech wybranych prądów

IF [A]	RS [Ω]	µ	rr ≈ ΔUF/ΔIF	rr ≈ ηUT/IF η=2	Rstat
0,1	0,6	0,013	0,6	11	5,5
0,2	0,12	0,019	0,12	5,56	2,78
0,45	0,16	0,038	0,16	2,66	1,33

Dioda schottky

Model diody użytej do pomiarów: sb5100

Parametry katalogowe diody:

Tabele pomiarowe i wykresy:

Dioda schottky w kierunku przeowdzenia
If[mA]
Uf[V]

Up=0,35V

Dioda schottky w kierunku zaporowym
IR[µA]
UR[V]

Wyznaczanie rezystancji szeregowej, prądu zerowego i współczynnika złącza przebiega identycznie jak dla diody krzemowej

Prąd nasycenia I_S wynosi 0,01µA

IF [A]	RS [Ω]	µ	rr ≈ ΔUF/ΔIF	rr ≈ ηUT/IF η=1 ; 2	Rstat
0,02	2,5	0,22	2,5	17,5	17,5
0,08	0,63	0,4	0,83	5	5
0,22	0,18	0,75	0,29	4	2

Parametry diody z danych katalogowych:

V_RRM=100V

I_F(AV) = 5A

I_FSM=150A

P_D=5W

V_F=0,85V

I_R=0,5mA

Parametry zmierzone, podobnie jak w przypadku diody krzemowej, wypadły znacznie lepiej, gdyż:

V_F=0,35V

I_R=0,7µA

Dioda zenera

Dioda użyta do pomiarów to: BZT03C12

Dane katalogowe:

P_V=3,25W

T_j=175 C

Napięcie zenera 12V

Tabele pomiarowe i wykresy:

Dioda Zenera polaryzacja w kierunku przewodzenia
IF[A]
UF[V]

Napięcie U_p=0,7V

Dioda Zenera polaryzacja w kierunku zaporowym
IR[A]
UR[V]

Napięcie przebicia zenera U_Z=12V.

Napięcie nasycenia I_s=0,00000001A = 0,01µA

IF [A]	RS [Ω]	µ	rr ≈ ΔUF/ΔIF	rr ≈ ηUT/IF η=1 ; 2	Rstat
0,00042	239,81	1,3	256,41	1438,85	1438,85
0,00093	107,53	1,4	194,93	752,69	752,69
0,012	4,35	1,8	4,73	130,44	65,22

Wyznaczanie parametrów diody zenera dla polaryzacji w kierunku zaporowym dla trzech wartości prądu I_Z:

Parametry diody przy polaryzacji w kierunku zaporowym
IZ [A]
rr [Ω]
Rstat [Ω]

Dioda LED biała

Prąd diody: 20mA

Biała dioda LED przy polaryzacji w kierunku przewodzenia
IF[A]
UF[V]

Według charakterystyki prądowo-napięciowej, napięcie graniczne U_p= 2,5V.

Biała dioda LED przy polaryzacji w kierunku zaporowym
IR[mA]
UR[V]

Z wykresu, odczytana wartość prądu nasycenia I_s wynosi 0,000001[A] =1µA

IF [A]	RS [Ω]	µ	rr ≈ ΔUF/ΔIF	rr ≈ ηUT/IF η=1 ; 2	Rstat
0,003	166,67	1,3	378,79	1333,33	1333,33
0,0047	212,77	1,4	1588,23	1063,83	1063,83
0,015	333,33	1,8	485,44	666,67	666,67

Stosowane prawidłowości i zasady oznaczania diod półprzewodnikowych przez czołowych producentów

Oznaczenie elementu półprzewodnikowego składa się z dwóch części: literowej i numerowej. Część literowa ma dwie litery.

Pierwsza litera określa materiał, z jakiego wykonano element:
A - materiał o szerokości pasma zabronionego 0,6-1,0 eV (np. Ge);
B - materiał o szerokości pasma zabronionego 1,0-1,3 eV (np. Si);
C - materiał o szerokości pasma zabronionego większej niż 1,3 eV (np. GaAs);
D - materiał o szerokości pasma zabronionego mniejszej niż 0,6 eV (np. InSb);
R - inne materiały.

Druga litera określa rodzaj elementu półprzewodnikowego:
A - diody detekcyjne, mieszające i szybko przełączające;
B - diody o zmiennej pojemności;
C - tranzystory małej mocy, małej częstotliwości;
D - tranzystory dużej mocy, małej częstotliwości;
E - diody tunelowe;
F - tranzystory małej mocy, wielkiej częstotliwości;
G - elementy powielające złożone z rożnych struktur;
H - czujniki Halla (sondy do pomiaru natężenia pola magnetycznego);
K - generatory Halla o otwartym obwodzie magnetycznym;
L - tranzystory mocy, wielkiej częstotliwości;
M - generatory Halla o zamkniętym obwodzie magnetycznym (np. modulatory);
P - elementy czułe na promieniowanie (np. fotodiody);
Q - elementy promieniujące (np. diody luminescencyjne);
R - tyrystory małej mocy;
S - tranzystory impulsowe małej mocy;
T - tyrystory mocy;
U - tranzystory impulsowe mocy;
Y - diody prostownicze;
X - diody powielające;
Z - diody stabilizacyjne (diody Zenera).

Część numerowa zawiera jedną literę i trzy cyfry lub dwie litery i dwie cyfry. Część ta określa grupę oraz konkretny typ elementu w danej grupie, zawiera informację o przeznaczeniu i wytwórcy elementu, a w niektórych przypadkach także o wartościach niektórych parametrów elementu. Ma ona następującą budowę:
P + 3 cyfry - dla elementów do zastosowań powszechnego użytku;
YP + 2 cyfry - dla elementów do zastosowań profesjonalnych;
AP + 2 cyfry - dla elementów do zastosowań specjalnych.

Dla elementów profesjonalnych można zamiast litery Y stosować litery Z, X, W itd., a dla elementów specjalnych zamiast litry A dalsze litery B, C, D itd. Litera P jest umownym znakiem wytwórcy (Naukowo-Produkcyjne Centrum Półprzewodników) i często nie występuje w oznaczeniu.

Oznaczenia diod stabilizacyjnych, diod prostowniczych i tyrystorów zawierają ponadto dodatkowe symbole informujące o wartościach niektórych parametrów:

Dla diod stabilizacyjnych litera (często poprzedzona znakiem minus) określa tolerancje napięcia stabilizacji:
A - 1%
B - 2%
C - 5%
D - 10%
E - 15%
Po tej literze następują cyfry określające wartość znamionowego napięcia stabilizacji w woltach. Literę V stosuje się zamiast przecinka, jeżeli napięcie stabilizacji jest liczbą ułamkową. Gdy dioda ma polaryzację odwrotną (obudowa połączona z anodą), to na końcu występuje litera R. Polaryzacji normalnej (obudowa połączona z katodą) nie oznacza się.

Dla diod prostowniczych i tyrystorów cyfry (poprzedzone znakiem minus, odstępem lub ukośnikiem) określają maksymalną wartość impulsowego napięcia wstecznego w woltach. Litera R oznacza również polaryzację odwrotną.

Diody LED

Kolor świecenia diody zależy od długości fali generowanego promieniowania. Zgodnie ze wzorem:

przy czym:

Wg = Wc – Wv – szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,

h – stała Plancka,

c – prędkość światła

długość fali zależy od szerokości pasma zabronionego, więc im to pasmo jest szersze, tym mniejsza jest długość fali. Wzrost szerokości pasma zabronionego powoduje wzrost napięcia progowego.

Barwa światła emitowanego przez diodę LED zależy od rodzaju materiału z jakiego jest wykonana (półprzewodnika) oraz od technologii wykonania. Diody o barwie czerwonej i zielonej wykonane są z fosforku galu (GaP), a diody świecące na czerwono, pomarańczowo i żółto wykonuje się z arsenofosforku galu (GaAsP). Do wyrobu diod świecących w paśmie światła widzialnego używa się również fosforku galowo-indowego (InGaP) i arsenku glinowo-galowego(AlGaAs). Diody świecące światłem podczerwonym robi się z arsenku galu (GaAs) domieszkowanego cynkiem (Zn) i krzemem (SI).

Materiał	Barwa promieniowania
GaAs GaP GaAs1-xPx AlxGa1-xAs	podczerwień czerwna, zielona, żółta czerwona, pomarańczowa, zółta czerwona, podczerwień

Odmiany i zastosowania diod LED:

IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania

HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za takie uważa się, których jasność przekracza 0.2 cd; znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła – w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach

tricolor LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy

warm white LED – dioda LED generująca światło bardzo zbliżone do światła żarówki (temperatura barwy 3500 K, odpowiednio dobrana jaskrawość)

Osiągnięcia technologii LED

Diody elektroluminescencyjne LED należą do IV generacji sztucznych źródeł światła wykorzystywanych przez człowieka w oświetleniu. Pierwsze 3 generacje to oczywiście: płomień, lampy żarowe i lampy wyładowcze. Podział ten wynika z różnych mechanizmów powstania światła. W diodach LED, a także innych nowoczesnych źródłach światła, jakimi są diody organiczne lub polimerowe, podstawą świecenia jest zjawisko elektroluminescencji w ciele stałym (np. kryształ półprzewodnikowy).

 Elektroluminescencja jest jednym z rodzajów luminescencji. U podstaw luminescencji leży zjawisko rekombinacji, czyli jeden ze sposobów przejścia układu z energetycznego stanu wzbudzenie do stanu podstawowego. W stanie podstawowym wszystkie elektrony zajmują w atomach możliwie najniższe stany energetyczne, a zewnętrzna powłoka atomowa, na której znajdują się elektrony tworzy tzw. pasmo walencyjne. Stan wzbudzenia to taki, w którym elektrony w atomach materiału są przeniesione z pasma walencyjnego na wyższe stany energetyczne, czyli do tzw. pasma przewodnictwa. Przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa następuje w wyniku oddziaływania zewnętrznego czynnika wzbudzającego. Tym czynnikiem może być temperatura (termoluminescencja), reakcja chemiczna (chemiluminescencja), oddziaływanie mechaniczne (tryboluminescencja), strumień elektronów (elektronoluminescencja) lub fotonów (fotoluminescencja), fala ultradźwiękowa (sonoluminescencja) lub zewnętrzne pole elektryczne (elektroluminescencja).

Ponieważ wszystko w naturze dąży do obniżenia swojego stanu energetycznego, więc również i wzbudzone elektrony dążą do tego, by pozbyć się nadmiaru energii. Warunkiem tego, by elektron mógł oddać energię przechodząc na niższy poziom energetyczny jest istnienie pustego stanu dozwolonego na tym niższym poziomie energetycznym oraz prawdopodobieństwo takiego przejścia większe od zera. Innymi słowy w paśmie walencyjnym musi znajdować się puste miejsce, tzw. dziura, które elektron może obsadzić. Przejście elektronu ze stanu wzbudzenia do stanu podstawowego, w którym elektron zajmuje miejsce dziury nazywa się rekombinacją (lub anihilacją) pary elektron-dziura. Różnicę energii sprzed rekombinacji i po rekombinacji elektron może wypromieniować w postaci fali elektromagnetycznej i wówczas mówimy o rekombinacji promienistej. Gdy czynnikiem, który doprowadził do rekombinacji promienistej jest wstrzykiwanie do układu nośników ładunku elektrycznego poprzez oddziaływanie zewnętrznego pola elektrycznego, to wówczas mamy do czynienia z elektroluminescencją. Światło widzialne powstaje wtedy, gdy różnica energii pomiędzy pasmem przewodnictwa, a pasmem walencyjnym odpowiada energiom fal z zakresu widma widzialnego.

Otrzymywanie białych diod LED

Diody LED są emiterami wytwarzającymi promieniowanie w wąskim zakresie widma częstotliwości – są więc źródłami światła monochromatycznego. Światło białe jest natomiast wrażeniem wzrokowym, które odczuwa człowiek w wyniku pobudzenia siatkówki oka światłem zawierającym fale świetlne z całego widma widzialnego od 425 nm do 675 nm. Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, które najczęściej emituje widmo o szerokości połówkowej nie przekraczającej kilkunastu nanometrów (podstawowe informacje o złączu p-n i działaniu diod LED zamieściłem w pierwszej części artykułu pt. Elektroluminescencja). Mimo to wytwarza się białe diody LED, i co więcej, są one przyszłością nowoczesnej techniki oświetleniowej.
   Żeby wykonać białą diodę LED korzysta się z jednego z podstawowych praw kolorymetrii, a mianowicie sumowania addytywnego podstawowych barw światła. W wyniku dodania barw światła: czerwonej, zielonej i niebieskiej (RGB – ang. Red Green Blue) możliwe jest otrzymanie światła białego. Warunkiem jest, by natężenia poszczególnych barw pozostawały ze sobą w ścisłych stosunkach ilościowych. Wychodząc od prawa addytywności barw stosuje się 3 główne metody otrzymania białej diody LED: mieszanie światła kilku barw, konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu lub metoda  hybrydowa będąca połączeniem 2 pierwszych.

Mieszanie światła. W pierwszej metodzie najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LED tworzące diodę RGB (rys. 1). W wyniku addytywnego sumowania barw otrzymywany jest kolor biały. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie występują tu straty w luminoforze związane z konwersją światła. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddania barw CRI. Przykładowo dzięki zastosowaniu 3 barw podstawowych możliwe jest otrzymanie maksymalnego wskaźnika oddawania barw CRI około 90, natomiast jeżeli dodać jeszcze 2 diody – jedną turkusową i jedną żółtą, to wówczas maksymalne CRI wynosi 99 (!). Niekorzystną cechą tej metody jest duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego. Każda z diod wymaga osobnego obwodu zasilającego ustalającego odpowiedni punkt pracy. Dodatkowo trzeba uwzględnić różnice w natężeniu oświetlenia poszczególnych barw. Odmienne są też charakterystyki termiczne i starzeniowe dla każdego rodzaju diod, co wymaga uwagi podczas projektowania i wykonywania kompensującego te zmiany systemu sterującego. W metodzie mieszania barw wykorzystuje się również matryce dyskretnych diod: czerwonych, zielonych i niebieskich. Wówczas należy wykorzystywać rozpraszające układy optyczne, które wspomogą

Otrzymywanie bieli poprzez mieszanie trzech barw podstawowych

efekt mieszania barw. Metoda mieszania RGB jest często nazywana metodą cyfrową otrzymywania światła białego, gdyż w metodzie tej często wykorzystuje się mikroprocesory, które biorą na siebie zadanie związane z odpowiednim wysterowaniem diod i uzyskaniem światła o pożądanych parametrach.

Konwersja światła. Druga metoda otrzymywania światła białego polega na zastosowaniu luminoforu, którym pokrywa się diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu (UV LED) (rys. 2). Luminofor pokrywający chip diody składa się z trzech warstw, z których każda realizuje konwersję światła UV na jedną z trzech barw podstawowych. Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały. Rozwiązanie to charakteryzuje się prostą technologią produkcji białej diody LED i nieskomplikowanym układem zasilania diod w oprawie oświetleniowej. W rezultacie niskie koszty są atutem tej metody. Jednocześnie, ze względu na straty na konwersję światła w trójkolorowym luminoforze, jest to rozwiązanie najmniej efektywne energetycznie. Rozwiązanie to nie daje możliwości kontrolowania barwy światła białego i CRI, które to parametry ustalane są w trakcie produkcji białej diody. W niektórych zastosowaniach wadą jest też szczątkowe promieniowanie UV, które przedostaje się przez warstwy luminoforu. Obecnie diody białe z wzbudzaniem luminoforu światłem UV są rzadko produkowane ze względu na problemy z odpornością obudowy epoksydowej na promieniowanie ultrafioletowe oraz jego szkodliwe działania na zdrowie. Rys.  2. Otrzymywanie bieli przez konwersję promieni UV w luminoforze RGB (źródło: Internet)    Metoda hybrydowa. W trzeciej metodzie połączono zalety obu powyższych rozwiązań (rys. 3). Zastosowano wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła diody niebieskiej 470nm (lub granatowej 460nm). Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo pochłaniane poprzez luminofor, który konwertuje je w światło o barwie żółtej (kolor powstający w wyniku sumowania addytywnego barwy czerwonej i zielonej). Następnie dokonuje się mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę białą. Dzięki temu uzyskano białą diodę charakteryzującą się prostotą wykonania i prostym obwodem zasilania, o zwiększonej wydajności energetycznej oraz nie promieniującą w paśmie UV, co w konsekwencji przesądziło o dużej popularności tego rozwiązania. Wadą jest jednak często zimna temperatura barwy otrzymywanego światła białego oraz współczynnik oddania barw na poziomie 75-80. Istnieje kilka odmian metody hybrydowej. W jednej z nich stosuje się dwuwarstwowy zielono-czerwony luminofor, co pozwala na uzyskanie światła o cieplejszej barwie i wyższym CRI (diody „Warm White”). Rozwinięciem tego podejścia jest sposób, w którym stosuje się w jednej obudowie chip niebieskiej diody pokryty zielonym luminoforem oraz nie pokryty luminoforem chip Rys. 3. Otrzymywanie bieli przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym(źródło: Internet) czerwonej diody. Dzięki temu otrzymujemy źródło światła białego, które wymaga mniej złożonego układu zasilania, niż metoda mieszania RGB, a jednocześnie umożliwia sterowanie barwą światła i jest wysoce wydajne energetycznie.   Poza wymienionymi trzema podstawowymi metodami stosuje się także zamianę monochromatycznego światła diod LED w światło białe wykorzystując konwertery półprzewodnikowe, konwertery z barwników organicznych oraz konwertery z kropek kwantowych. Są to jednak technologie znajdujące się obecnie w stadium rozwoju lub wykorzystywane na niewielką skalę.    Technologia konwerterów półprzewodnikowych teoretycznie może pozwolić na osiągnięcie wyższej wydajności niż w przypadku białych diod LED z luminoforem fosforowym. Jednocześnie zostanie uproszczona technologia wykonywania białych diod LED, gdyż z cyklu produkcyjnego odpadną procesy związane z pokryciem chipu luminoforem. Półprzewodnikowe konwertery wykonuje się poprzez umieszczenie powyżej obszaru aktywnego (złącza p-n) emitującego światło niebieskie dodatkowej warstwy z półprzewodnika o szerokości przerwy zabronionej odpowiadającej barwie żółtej (rys. 4a). Dodatkowa warstwa absorbuje część promieniowania, a następnie pobraną energię oddaje w postaci światła o zmienionej długości fali. Suma światła żółtego i niebieskiego daje barwę białą. Diody tego typu noszą nazwę PRS-LED (ang. Photon-recycling Semiconductor LED). Zastosowanie większej ilości warstw, o różnych szerokościach przerwy zabronionej i reemitujące światło o różnych barwach pozwala na osiągnięcie światła białego o wyższym współczynniku CRI, jednak podraża koszt wykonania diody. a) b) Metoda otrzymywania białego światła a) dzięki zastosowaniu konwertera półprzewodnikowego  b) pierwsze diody LED wykorzystujące konwertery z kropek kwantowych    Konwertery z barwników organicznych charakteryzują się blisko 100% wydajnością kwantową konwersji, przez co minimalizowane są straty energetyczne. Ich wadą jest jednak krótki czas życia i dopóki parametr ten nie zostanie ulepszony, dopóty barwniki organiczne nie będą konkurencją dla luminoforów fosforowych. Obecnie są one wykorzystywane przy produkcji diod organicznych OLED (ang. Organic Light Emitting Diode).    Konwertery z kropek kwantowych są najnowszym rozwiązaniem pozwalającym na otrzymanie białego światła na drodze konwersji (rys. 4b). Kropki kwantowe są to cząsteczki o rozmiarach w skali nanometrowej. Wykonane ze specjalnych materiałów mają właściwości absorpcji światła UV i reemisji światła w paśmie widzialnym. Długość emitowanych przez kropki kwantowe fal świetlnych jest uzależniona od ich rozmiarów oraz chemicznych właściwości ich powierzchni. Operując tymi parametrami można wytworzyć kropki kwantowe, które konwertują światło UV w światło o dowolnej barwie z zakresu widzialnego. Mieszając ze sobą kropki kwantowe reemitujące w barwach niebieskiej, zielonej i czerwonej otrzymujemy luminofor, który emituje światło białe i ma zewnętrzną sprawność na poziomie 60%. W porównaniu luminofory fosforowe mimo wysokiej sprawności kwantowej (teoretycznie nawet 100%) mają obniżoną zewnętrzną sprawność poniżej 50%, ze względu na straty rozproszeniowe i odbiciowe od cząsteczek fosforu, które tworzą stosunkowo duże aglomeraty, które absorbują światło, lecz go nie reemitują. Metodą tą obecnie bardzo interesują się firmy produkujące diody LED i wygląda na to, że będzie to rozwiązanie wykorzystywane na szeroką skalę w nieodległej już przyszłości.    Podsumowując trzeba zauważyć, że obecnie żadna z metod wykonywania białej diody LED nie została uznana za najlepszą i najlepiej nadającą się dla techniki oświetleniowej. Jest wysoce prawdopodobne, że omówione metody będą się nawzajem uzupełniać w różnych zastosowaniach światła białego, a to ze względu na szereg odmiennych wymagań jakościowych i ilościowych stawianych źródłom światła. Obecne i przyszłe parametry diod LED Energooszczędność. Jednym z kluczowych parametrów decydujących o popularności danego źródła światła jest to, ile zużywa ono energii elektrycznej. Im źródło światła wydajniejsze tym potrzebuje mniej dostarczonej energii by w ten sam sposób oświetlić otoczenie. Diody LED są wysoko wydajnymi źródłami światła monochromatycznego i mają potencjał technologiczny potrzebny by być w przyszłości wysoce wydajnymi źródłami światła – nawet 200lm/W. To właśnie ze względu na możliwości osiągnięcia oszczędności energii elektrycznej technologia białych diod LED jest jedną z tych najszybciej się rozwijających. Szacuje się, że w przyszłości wymiana stosowanych obecnie źródeł światła na diody LED pozwoli na zredukowanie ilości energii elektrycznej wykorzystywanej w oświetleniu o połowę. Obecnie około 20% energii elektrycznej produkowanej na świecie wykorzystywane jest przez oświetlenie. Po przejściu na źródła światła IV generacji udział ten zmniejszy się do 10%.    Czas życia. Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. Wymawiana jest tu często liczba 100 tyś. godzin pracy, która określa średni czas, po którym dioda LED przestanie świecić. W rzeczywistości parametr ten jest jednak mało użyteczny i w odniesieniu do diod LED należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia lub użytecznego czasu życia. Zaletą diod LED jest to, że w ich przypadku nie występuje katastroficzne zaprzestanie działania, jak ma to miejsce w przypadku klasycznych źródeł światła. Strumień świetlny diod LED ulega stopniowej degradacji w miarę upływu czasu. Po czasie, gdy stwierdzimy, że nasza lampa świeci już zbyt słabo, to my użytkownicy decydujemy o terminie wymiany źródła światła, a nie lampa, która z nieprzewidywalnym wdziękiem przepali się w najmniej odpowiednim momencie. Przykładowo, gdy w biurowcu wszystkie światła wykorzystujące diody LED zostaną zainstalowane jednocześnie, to również ich wymiana po zużyciu będzie mogła być przeprowadzona całościowo i na dodatek w dogodnym dla administracji budynku terminie. Stopniowa degradacja strumienia może jednak stanowić wadę w zastosowaniach, gdzie wymagany jest stały poziom natężenia światła (np. sygnalizacja). Problem ten można rozwiązać poprzez odpowiednie sterowanie lampą (regulacja zasilania, regulacja współczynnika wypełnienia impulsu). Ponadto długi czas życia diod LED wymaga by pozostałe elementy wchodzące w skład konstrukcji lampy LED wytrzymały równie długi okres pracy. Długi czas życia lamp LED pozwoli na zmniejszenie kosztów związanych z serwisowaniem systemów oświetleniowych oraz na zwiększenie bezpieczeństwa tam, gdzie od sygnałów świetlnych zależy życie i zdrowie ludzi (motoryzacja, lotnictwo, marynistyka itd.).    Strumień świetlny. Technologia diod LED umożliwia wykonywanie emiterów o szerokim zakresie wartości strumienia świetlnego. Od pojedynczych mili lumenów po setki lumenów emitowanych przez pojedynczy chip. Oczywiście wraz ze wzrostem wartości strumienia świetlnego rosną wymagania, co do technologii produkcji, wymiarów struktury półprzewodnikowej diody oraz dostarczanej do niej odpowiedniej ilości mocy. Prognozuje się, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego z jednego chipu LED wyniesie 1500 lm przy sprawności 150-200 lm/W.   z    Współczynnik oddawania barw. Białe diody LED mogą mieć dowolnie regulowany współczynnik oddawania barw CRI, czy to w stadium produkcji diody, czy też bezpośrednio poprzez użytkownika (w zależności od sposobu otrzymywania bieli). Zwłaszcza w przypadku mieszania barw RGB (lub większej ilości barw) regulacja współczynnika CRI pozwala na osiągnięcie szerokiego zakresu jego wartości. W technice oświetleniowej stosowane są źródła światła o współczynniku CRI: niskim, średnim, wysokim i bardzo wysokim. Wszystkie te zakresy są w zasięgu możliwości lamp LED. Należy zauważyć, że współczynnik CRI jest powiązany zależnością z wydajnością świetlną. Im większa wartość tego współczynnika tym mniejsza wydajność świetlna. Zależność tą zamieszczono na rys. 1a.   a) b) Rys. 1.  Jakość światła a) zależność CRI od wydajności świetlnej lampy LED i ilości zastosowanych kolorów diod;  b) Zależność wydajności świetlnej od temperatury barwy światła CCT dla białej diody RGB Technologia diod LED umożliwia produkcję źródeł światła o bardzo wysokim CRI 95, a w przyszłości również i o wysokiej wydajności świetlnej (>150lm/W). Szacuje się, że za kilka do kilkunastu lat oświetlenie uliczne sodowe i rtęciowe zostanie stopniowo zastąpione przez diody LED. Miasta nocą będą oświetlane światłem bardziej zbliżonym do światła dziennego i noc stanie się przyjaźniejsza ludziom.    Temperatura barwy bieli. Możliwe jest wytwarzanie białych emiterów LED w szerokim zakresie temperatur – od tych odpowiadających światłu ognia o bardzo ciepłej barwie, poprzez barwę światła żarówki, idealną biel odpowiadającą światłu słonecznemu, po chłodne i bardzo zimne światło charakterystyczne dla lamp fluoroscencyjnych i rtęciowych. Istnieje zależność pomiędzy temperaturą światła białego, a samopoczuciem człowieka. Najlepiej czujemy się w otoczeniu oświetlonym światłem możliwie zbliżonym do światła dziennego. Światło dzienne zwiększa wydajność pracy, polepsza zdolność koncentracji i uczenia, a nawet zwiększa sprzedaż w sklepach. Co więcej, istnieje dodatkowa zależność pomiędzy samopoczuciem człowieka, a temperaturą barwy bieli w zależności od pór dnia. Z wielu względów (głównie ekonomicznych) czynnik wpływu barwy światła na człowieka jest często pomijany. Klasyczne źródła światła nie mają możliwości prostej regulacji barwy światła. Z wykorzystaniem kolorowych diod LED można o wiele prościej i z lepszym efektem wykonywać oprawy oświetleniowe z płynnie regulowaną temperaturą barwy. Wytrzymałość. Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie otoczenia – wysokie i niskie temperatury. Dzięki temu diody LED mogą być stosowane tam, gdzie do tej pory instalacja oświetlenia była niemożliwa lub znacznie utrudniona. Oprawy oświetleniowe z diodami LED nie wymagają specjalnych zabezpieczeń, gdyż mają nieporównywalnie większą wytrzymałość mechaniczną niż lampy żarowe i fluoroscencyjne. W porównaniu z nimi mogą wydawać się wręcz niezniszczalne. Wynika to przede wszystkim z braku kruchych elementów w konstrukcji diody oraz tego, że chip diody i doprowadzenia elektryczne są pokrywane, i przez to zabezpieczane, przezroczystym, wytrzymałym tworzywem sztucznym lub silikonem.    Niski poziom IR. Diody LED dzięki istocie samego procesu powstawania światła (zjawisko rekombinacji promienistej), teoretycznie mogłyby nie wytwarzać ciepła, gdyż proces rekombinacji promienistej może być wydajny niemal w 100%. Jednakże część światła powstającego wewnątrz chipu diody nie wydostaje się na zewnątrz ze względu na całkowite wewnętrzne odbicie. Fotony są absorbowane przez sieć krystaliczną półprzewodnika i rozgrzewają strukturę diody. Wraz ze wzrastającymi mocami (większe prądy zasilające diodę) coraz nowocześniejszych diod temperatura chipu diody będzie rosła. Obecnie wynosi ona około 80C-135C, lecz w przyszłości może nawet osiągnąć 250C. Stąd konieczne jest skuteczne odprowadzenie energii cieplnej za pomocą radiatorów lub podłoży aluminiowo ceramicznych ułatwiających rozproszenie ciepła. Problemy termiczne w przypadku diod LED są kluczowe w procesie projektowania niezawodnych lamp LED. Należy podkreślić, że emitowane ciepło przez diodę w kierunku strumienia światła jest minimalne. Dzięki temu diody nie ogrzewają przedmiotów, na które świecę. Ciepło powstające w chipie diody jest odprowadzane przez wyprowadzenia diody do podłoża i ewentualnie do radiatora, a dalej w kierunku przeciwnym do kierunku świecenia diody. Stąd powierzchnie czołowe opraw LED są chłodne i bezpieczne w dotyku.    Brak lub niski poziom UV. Diody LED, w których kolor biały uzyskuje się na zasadzie mieszania barw podstawowych lub konwersji światła niebieskiego w luminoforze, w odróżnieniu od lamp fluorescencyjnych nie posiadają w swoim widmie szkodliwego w niektórych zastosowaniach promieniowania UV. Promieniowanie UV mogą natomiast emitować diody białe, w których luminofor jest pobudzany do świecenia diodą ultrafioletową. Wydostawaniu się promieni UV z takiej białej diody zapobiega się poprzez dokładne pokrycie chipu diody luminoforem oraz wykorzystywanie pokrycia z żywic epoksydowych pochłaniających fale UV. W tym przypadku problem szczątkowego promieniowania UV jest mniejszy niż w przypadku lamp fluoroscencyjnych. Wynika to z tego, że lampy fluoroscencyjne mają 2 maksima emisyjne w zakresie fal UV (254nm i 185nm) i konieczne jest wykonywanie luminoforów, które pochłaniają fale UV z obu maksimów. Diody ultrafioletowe natomiast mają tylko jeden pik na charakterystyce spektralnej i to w zakresie fal o niższych energiach (370 do 410 nm), które są z tego względu mniej szkodliwe. Co więcej pik w ultrafiolecie diod UV LED jest ściśle zdefiniowany, przez co łatwiej jest dobrać odpowiedni luminofor i warstwy nie przepuszczające UV. Dzięki praktycznemu brakowi promieniowania UV i IR diody LED szybko znalazły zastosowanie w oświetleniu wrażliwych na te promieniowania eksponatów w muzeach, galeriach oraz w iluminacji zabytków.    Ukierunkowany strumień świetlny. Diody LED mają ściśle zdefiniowany kąt bryłowy rozsyłu światła. Nie występują straty związane z rozsyłem światła na boki. Łatwiej jest również dzięki temu wykonywać układy optyczne dla diod LED, gdyż są one praktycznie pierwszymi źródłami światła dla techniki oświetleniowej, które można traktować jako punktowe, co z kolei znacznie ułatwia konstrukcje odbłyśników, kolimatorów i soczewek. Wykonuje się diody o kącie rozsyłu na poziomie pojedynczych stopni po diody o kącie emisji przekraczającym 150 stopni. Wiązka światła może być ponad to eliptyczna – szeroka w jednej osi i wąska w drugiej. Finałem rozwoju diod LED będą między innymi wysoko wydajne i o długim czasie życia w warunkach pokojowych laserowe diody UV. Emitowana przez nie światło będzie mogła być przesyłane w wąskiej wiązce na duże odległości. Miejsce, na które będzie padać światło UV będzie pokrywane odpowiednim luminoforem, który wzbudzony będzie emitować światło widzialne we wszystkich kierunkach.    Małe wymiary. Diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła mają bardzo niewielkie rozmiary. Od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD stosowanych w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy kilku centymetrów. Wszystkie jednak zapewniają projektantom opraw oświetleniowych nie osiągalną do tej pory dowolność i elastyczność przy projektowaniu opraw. Lampy z diodami LED są przez to mniejsze, lżejsze i prostsze w budowie. Łatwiej jest je również dostosować do najróżniejszych zastosowań.   Największe diody LED mają kilka milimetrów średnicy, a z radiatorami na ogół nie przekraczają 20mm.     Czas włączenia i wyłączenia. Od poprzednich generacji źródeł światła różnią się diody LED bardzo krótkim czasem włączenia i wyłączenia. Czas włączenia diod LED nie przekracza 100ns, a czas wyłączenia 200ns. W porównani z żarówkami są to czasy 2 miliony razy krótsze! Typowa żarówka osiąga 90% swej światłości po czasie 200ms. Czasy włączenia lamp fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i czasem sięgają nawet kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe). Dzięki bardzo dużej szybkości włączenia i wyłączenia diod LED możliwe jest sterowanie PWM (szerokością wypełnienia impulsu). Pozwala to na łatwe ściemnianie lamp LED oraz na bezpośrednie wysterowania ich sygnałem cyfrowym, co dotychczas nie było na ogół praktykowane w technice oświetleniowej (wyjątkiem jest oświetlenie sceniczne i dyskotekowe sterowane cyfrowym protokołem DMX512). Szybkości diod LED pozwalają również na swobodne wykorzystanie ich do konstrukcji wielkoformatowych ekranów video o praktycznie nieograniczonych wymiarach (cena około 100 tys. zł/m^2). Przejście na szybkie diody zwiększa znacząco bezpieczeństwo na drogach. Dzięki temu, że światła stopu w samochodach czy sygnalizacji świetlnej zapalają się w krótszym czasie kierowcy prędzej reagują i mogą dzięki temu uniknąć jednego z najczęstszych wypadków - stłuczki.    Łatwość w sterowaniu i obsłudze. Ponieważ diody LED są urządzeniami półprzewodnikowymi mogą być zasilane i sterowane w identyczny sposób jak wszelkiego rodzaju urządzenia elektroniczne. Problem ściemniania czy nawet zmiany koloru światła lampy LED nie stanowi większego problemu. W lampie można umieścić układ elektroniczny zawierający mikroprocesor, który steruje lampą LED i daje użytkownikowi nieosiągalne dotychczas za przystępną cenę możliwości.    Bezpieczeństwo. Lampy LED są znacznie bezpieczniejsze dla użytkownika niż pozostałe źródła światła. Po pierwsze są zasilane bezpiecznym stałym napięciem (najczęściej 12V i poniżej) i nie grożą porażeniem przy nieostrożnym postępowaniu. Po drugie brak iskrzenia, które może być przyczyną wybuchu lub pożaru w kopalniach, zakładach chemicznych, czy wszędzie tam, gdzie korzysta się z instalacji gazowej. Po trzecie charakteryzują się dużą niezawodnością wynikającą z długiego czasu życia, energooszczędności, wytrzymałości mechanicznej itp. Po czwarte diody LED nie zawierają trujących substancji oraz nie mają kruchych elementów szklanych, które mogą zostać stłuczone i grozić zranieniem. Zagrożeniem dla zdrowia ludzi może być jednak oddziaływanie światła monochromatycznego o dużej intensywności na wzrok. Dlatego lampy LED powinny posiadać konstrukcje optyczne zapobiegające olśnieniu.    Nowe obszary zastosowań światła. Parametry i właściwości diod LED tworzą nowe możliwości zastosowania światła w technice oświetleniowej i nie tylko. Dzięki łatwości sterowania cyfrowego opraw LED rozwija się oświetlenie inteligentne. Łatwość sterowania cyfrowego w połączeniu z szeroką gamą kolorowych diod LED poskutkowało powstaniem branży oświetlenia dekoracyjnego zmieniającego dynamicznie kolor. Diody znajdują zastosowania w medycynie klasycznej i niekonwencjonalnej. Nowe, nieznane zastosowania diod LED wciąż czekają na odkrycie.   Porównanie diod krzemowej, germanowej, schottky i zenera. Dioda krzemowa Dioda germanowa Dioda schottky Dioda zenera Napięcie progowe 0,7V 0,2V 0,35V 0,7V Wady Duży spadek napięcia na złączu, duża pojemność złącza, eliminuje stosowanie ich przy dużych częstotliwościach Słaba odporność termiczna, słabe odprowadzanie ciepła Niewielka odporność na napięcia wsteczne(kilkanaście – kilkadziesiąt V) Duży spadek napięcia w kierunku przewodzenia Zalety Możliwość produkowania diod o znacznych mocach, krzemowe złącze dobrze odprowadza ciepło, znaczne odporności na wysokie napięcia wsteczne (nawet kilka kV) Niski spadek napięcia na złączu Niska pojemność złącza, co pozwala na pracę diody przy bardzo dużych częstotliwościach, bardzo mały spadek napięcia na złączu. Możliwość stabilizacji napięcia, dzięki występowaniu przebicia zenera przy polaryzacji zaporowej Zastosowanie Prostowniki napięcia dla częstotliwości 50Hz Obecnie diody germanowe są słabo dostępne i rzadko wykorzystywane. Układy prostownicze w układach dużej częstotliwości, stosowane też w układach impulsowych i przełączających, wszędzie tak gdzie ważna jest duża szybkość przełączania Stabilizatory parametryczne i kompensacyjne, źródła napięcia odniesienia Rodzaj złącza Półprzewodnik-półprzewodnik Półprzewodnik-półprzewodnik Metal-półprzewodnik Półprzewodnik-półprzewodnik Rodzaj półprzewodnika krzem german Krzem Krzem Stabilizator parametryczny Parametry diody: P=3,12W Uz=12V $$I_{\text{ZMAX}} = \frac{P_{Z}}{U_{Z}} = \frac{3,12}{12} = 260\ mA$$ Parametry rezystora R: P=250mW R=320Ω Podb­=250mW Moc rezystora jest znacznie mniejsza od mocy diody, więc za ograniczenie prądu wejściowego przyjmujemy maksymalny prąd dla rezystora. P = I^2 * R $$I = \sqrt{\frac{P}{R}} = \ \sqrt{\frac{0,25}{560}} = 28,4mA$$ Uwe=I*R+Uz=16,67V $$I_{\text{WYMAX}} = \frac{P_{R}}{U_{\text{WE}}} = \frac{0,25}{16,67} = 15\ mA$$ IWY=0-15mA $R0 = \frac{12}{15*10^{- 3}} =$800Ω Wyniki pomiarów: Stan jałowy Uwe Uwy Prąd Iwymax R=800om Iwy Uwy Połowa prądu Iwymax R=1200om Iwy Uwy

Współczynnik stabilizacji

Uwe	Uwy	Su
[V]	[V]
12	12	1
15	12,2	0,81
16	12,5	0,78

11. Wnioski

Podczas przeprowadzania tego ćwiczenia, nasz zespół popełnił błąd przy pomiarze charakterystyk wyjściowych stabilizatora parametrycznego. Możliwe iż dioda uległa uszkodzeniu lub, sądząc po napięciu wyjściowym równym 0,7V czyli tyle co napięcie progowe tej diody w kierunku przewodzenia, dioda była wpięta do układu w polaryzacji w kierunku przewodzenia. Jako, iż błąd został zauważony, zdobyte doświadczenie pozwoli uniknąć podobnych błędów w przyszłości. Pozostałe pomiary wyglądają na poprawne. W niektórych przypadkach, jak w przypadku radzieckiej diody krzemowej KD213A, wyznaczone parametry okazały się znacznie lepsze od danych katalogowych, co może być wynikiem posiadania wyjątkowo udanego egzemplarza diody.

Ćwiczenie pozwoliło nam w praktyce zobaczyć, a dzięki temu zrozumieć zasady działania diod półprzewodnikowych, a popełnione błędy podczas pomiarów nauczyły unikania ich w przyszłości, z czego wnioskuję, że przeprowadzenie ćwiczenia było bardzo korzystne.