Narysuj typowa konstrukcje diody LED. W jaki sposób można wpływać na optykę geometryczną diody LED by skuteczniej wyprowadzić generowane promieniowanie z typowej konstrukcji?

Obudowa przeważnie ma kształt soczewki formatującej wiązkę promieniowania. Umożliwia ona otrzymanie optymalnego kształtu charakterystyki kątowej promieniowania, która jest obrazem rozchodzenia się światła w przestrzeni w zależności od kąta patrzenia na diodę.

Charakterystyki prądowo-napięciowe diod LED są zbliżone do zwykłych diod. Wynika stąd, że napięcie w kierunku przewodzenia przy danym prądzie, będzie tym większe, im większa jest szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika.

Diody LED mają płaskie złącze p-n, z czym związany mały kąt wierzchołkowy stożka promieniowania emitowanego przez diodę (zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia). Z tego względu diody dla celów wskaźnikowych wyposaża się w sferyczne lub paraboliczne soczewki z żywic syntetycznych co zwiększa widzialność promieniowania dochodzącą do kąta półpełnego.
A prościej jak soczewka ma kształt sfery to promień przechodzi łatwo bo wszędzie jest pod kątem (mniej więcej) prostym do soczewki, gdyby soczewka była płaska to promień przejdzie gdy będzie pod kątem prostym, natomiast jeśli będzie bardzo odchylony to odbije się od soczewki i wróci (jest to na obrazku).

Wymień i zdefiniuj parametry diody LED. Przedstaw charakterystykę prądowo-napięciową (I=f(U)) diody LED w zakresie polaryzacji przy jakiej ta dioda pracuje.


Główne parametry diody:
a) Elektryczne:
- Maksymalny prąd przewodzenia (I_fmax) – maksymalny prąd jaki może przepływać przez diodę, tak aby nie uległa ona spaleniu;
- Napięcie przewodzenia (U_fp) – napięcie przy którym prąd I_f (prąd przewodzenia) jest równy 1/10 I_fmax

- Szczytowe napięcie wsteczne (zaporowe) (U_Rwm) – maksymalne napięcie które można przyłożyć do diody w kierunku zaporowym;
- Moc strat (P_s)– straty spowodowane (spowodowane przez materiał z którego jest zbudowana) przepływem prądu przewodzenia.

b) Parametry optyczne:
- Strumień energetyczny – Se (moc emitowana przez diodę IR), wyrażamy w watach, lub strumień świetlny (moc emitowana przez diodę świecącą), wyrażamy w lumenach. Wartość mocy emitowanej przez diodę rośnie ze wzrostem prądu przewodzenia, a maleje ze wzrostem temperatury złącza;

- Natężenie promieniowania – Je – stosunek strumienia energetycznego do kąta bryłowego – dla diod IR, którego jednostką jest wat na steradian;

- Światłość – stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego – dla diod LED, wyrażona w kandelach. Natężenie promieniowania i światłość zwiększają się ze wzrostem prądu przewodzenia;

- Połówkowa szerokość spektralna promieniowania – Dl - Jest to szerokość pasma promieniowania, definiowana jako różnica długości fal , dla których moc emitowana osiąga połowę swej wartości maksymalnej.

Charakterystyka prądowo-napięciowa (wykres mega uproszczony ale na samym dole daje dokładniejszy…):

Zależność prądu płynącego przez złącze od napięcia polaryzującego

- czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < U_D, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;

- niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > U_D, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;

- zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia;

- źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub Zenera, prąd gwałtownie rośnie.

Przedstaw charakterystykę prądowo-napięciową (I=f(U)), charakterystykę widmową (np. w zakresie promieniowania podczerwonego) oraz określ typową wartość sprawności energetycznej diody LED. Od czego zależy długość fali generowanego w takiej diodzie promieniowania?

Charakterystyka prądowo-napięciowa:

Zależność prądu płynącego przez złącze od napięcia polaryzującego

- czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < U_D, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;

- niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > U_D, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;

- zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia;

- źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub Zenera, prąd gwałtownie rośnie.

Długość fali promieniowania zależy od: $\lambda_{p} = \ \frac{hc}{W_{g}}$
h - stała planka
c – prędkość światła
W_g – przerwa energetyczna – energia którą należy dostarczyć elektronowi aby przeszedł z pasma walencyjnego na pasmo przewodzenia

Sprawność diody – najbardziej intensywne jest promieniowanie o energiach kwantów, odpowiadających szerokości przerwy energetycznej W_g danego półprzewodnika.

Sprawność diody jest największa dla długości fal np. GaAs=0,9 im…. Im długość fali (zależna od materiału) będzie bliższa danej długości fali (odpowiadającej szerokości energetycznej) tym będzie większa sprawność diody.
Przerwa energetyczna mówi jaka będzie długość fali – a to wpływa na charakterystykę widmową.

Wymień znane Ci przykłady zastosowań diod LED, białych diod LED. Od czego

zależy długość fali generowanego w takiej diodzie promieniowania?

Zastosowanie diod LED: określenie stanu urządzeń (włączone wyłączone), poziom energii w bateriach, poziom paliwa w zbiorniku np samochodowym, w aparaturze pomiarowej, we wskaźnikach (linijkach diodowych), klawiatura zamka szyfrowego, lub też jako elementy podświetlające skalę przyrządu pomiarowego, przesył informacji drogą światłowodową na krótkich odcinkach oraz zdalne sterowanie np TV czy też bramy wjazdowej, transmisja danych, sygnalizacja świetlna, ozdoby, wyświetlacze itp

Zastosowanie białych diod LED: latarki, podświetlenia, oznaczenia ścieżek dróg, oświetlenia uliczne, reflektor samochodowy.

Długość fali zależy od kwantu energii emitowanego w postaci fotonu przez elektrony podczas rekombinacji promienistej, która to zachodzi w złączu p-n spolaryzowanym w kierunku przewodzenia. Wartość energii fotonu emitowanego przez elektron w czasie rekombinacji jest w przybliżeniu równa różnicy energii między poziomem wzbudzenia, a poziomem podstawowym. Innymi słowy jest w przybliżeniu równa wartości przerwy pomiędzy tymi stanami energetycznymi. Wartość przerwy energetycznej jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału półprzewodnikowego. Dzięki wytwarzaniu związków półprzewodnikowych o regulowanym udziale procentowym poszczególnych pierwiastków składowych, możliwe jest wytwarzanie materiałów półprzewodnikowych o przerwach energetycznych odpowiadających energiom fal świetlnych od ultrafioletu po głęboką podczerwień. Daje to możliwość budowy diod LED o praktycznie dowolnej barwie świecenia (długości fali świetlnej). 

Jakie są zalety źródeł światła białego LED w porównaniu z klasyczną żarówką.

• Wysoka sprawność: 80-90% diody, żarówka 5-10%

• Trwałość: 10x dłużej od zarówki halogenowej, 25x dłużej od klasycznej żarówki

• Odporna na uderzenia itp

• Ogniskowanie- diody dają światło kierunkowe

• Szybki czas włączania i wyłączania

• Diody LED mogą pracować ze ściemniaczami

• Mała emisja ciepła

• Zużywające się diody tracą jasność, nie gasną nagle

• Ekologia- przy produkcji nie używa się trujących substancji np rtęci.

Przedstaw zasady konstrukcji i działania, charakterystykę widmową diody LED

emitującej światło białe.

Wyróżniamy 3 typy konstrukcji diod:

Pierwszy polega na zmontowaniu 3 diod w jeden układ tworząc diodę RGB. Światło białe uzyskuje się na skutek addytywnego sumowania barw. 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 efekt mieszania barw.

Druga metoda otrzymywania światła białego polega na zastosowaniu luminoforu, którym pokrywa się diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu (UV LED).  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 nie daje możliwości kontrolowania barwy światła białego i współczynnika oddania barw, które to parametry ustalane są w trakcie produkcji białej diody.

W trzeciej metodzie połączono zalety obu powyższych rozwiązań. 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.

Charakterystyka widmowa dla 3 metody

Charakterystyka widmowa dla metody 1

Długość emitowanej fali odpowiada maximum na wykresie charakterystyki widmowej.