Методы и средства отображения информации

Размещено на http://allbest.ru

Методы и средства отображения информации

Вступление

светодиод полупроводниковый led

В современной электронной аппаратуре светодиоды - все более и более важная радиодеталь. Эффективные, долговечные и недорогие, светодиоды - оптимальный компонент, чтобы использовать их для визуальных индикаторов в электронных системах. Светодиод - простой компонент освещения, который реагирует на поступающий электрический ток и преобразует его в свет. Светодиоды доступны во множестве размеров и цветов, таким образом, они могут работать и использоваться, почти в любых дизайнерских проектах.

1.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.

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.

Цвет светодиода зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Квантовый выход -- это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний -- в самом p-n-переходе, внешний -- для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» -- поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих -- 35%.

Внешний квантовый выход -- одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и сделало возможным получение светодиодов белого свечения. На рис. 2 показано получение белого света путем смешивания в определённой пропорции излучения красного, зелёного и синего светодиодов.

Свойства и характеристики светодиодов

Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Реакция светодиода на повышение температуры такова: p-n-переход - это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий собой соединённые вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов - «n-тип», второй с избытком дырок - «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к р-части, то через него потечёт ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов.

Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещённый p-n переход пошёл ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда - электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решётки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света - фотона. В случае безизлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация. Впервые это явление в далёкие 20-е годы исследовал О.В. Лосев, наблюдавший свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). Для большинства полупроводниковых диодов это явление - просто «побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для светодиодов же излучательная рекомбинация - физическая основа их работы.

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй -- световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

Ток через светодиод нужно стабилизировать.

Как видно из рисунка, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

2.Понятие, виды, структура органических фотодиодов

Органические светодиоды представляют собой набор пленок органического происхождения, которые при пропускании электрического тока начинают светиться. При этом свет распределяется равномерно по всей площади материала.

Французский учёный Андрэ Бернаноз (Andrй Bernanose) и его сотрудники открыли электролюминесценцию в органических материалах в начале 1950-х, прикладывая переменный ток высокого напряжения к прозрачным тонким плёнкам красителя акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960-м исследователи из компании Dow Chemical разрабатывали управляемые переменным током электролюминесцентные ячейки, используя легированный антрацен.

Низкая электрическая проводимость таких материалов ограничивала развитие технологии до тех пор, пока не стали доступными более современные органические материалы, такие как полиацетилен и полипиррол. В 1963 году в ряде статей учёные сообщили о том, что они наблюдали высокую проводимость в допированном йодом полипирроле.

К сожалению, это открытие было «потеряно». И только в 1974 году исследовали свойства бистабильного выключателя на основе меланина с высокой проводимостью во «включенном» состоянии. Этот материал испускал вспышку света во время включения. В 1977 году другая группа исследователей сообщила о высокой проводимости в подобно окисленном и легированном йодом полиацетилене. В 2000 году Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидеки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и развитие проводящих органических полимеров». Ссылок на более ранние открытия не было.

Первое диодное устройство было создано в 1980-х компанией Eastman Kodak. В 1990 году в журнале Nature появляется статья учёных, в которой сообщается о полимере с зелёной светимостью и «очень высоким КПД». Недавно был разработан гибридный светоиспускающий слой, в котором используются непроводящие полимеры с примесью светоиспускающих проводящих молекул. Использование полимера даёт преимущества в механических свойствах без ухудшения оптических свойств. Светоиспускающие молекулы имеют ту же долговечность, как и в первоначальном полимере.

Органический светодиод состоит из следующих элементов:

1. подложки (пластиковой, стеклянной, фольги);

2. катода, инжектирующего электроны в излучающий слой при прохождении тока;

3. слоев органических материалов, один из которых проводит дырки, инжектируемые анодом (обычно состоит из полианилина), а второй -- электроны, инжектируемые катодом; в нем и происходит излучательная рекомбинация носителей заряда;

4. прозрачного анода, который при прохождении тока инжектирует дырки.

В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом (ITO), в качестве катода -- металлы, такие как алюминий и кальций, а в качестве светоизлучающих материалов - низкомолекулярные органические вещества и полимеры.

Принцип работы заключается в подаче на анод положительного напряжения, вследствие чего электроны начинают двигаться от катода к аноду, то есть катод отдает электроды в излучающий слой. В свою очередь, из проводящего слоя, электроны переходят к аноду, или можно сказать, что анод передает проводящему слою носителей положительного заряда, так называемые дырки.

Дырки и электроны начинают движение навстречу друг другу и, вследствие их контакта, происходит понижение энергии электронов, которое сопровождается излучением. Дырки обладают большей подвижностью, чем электроны, поэтому излучение и происходит в эмиссионном слое.

По типу матрицы OLED-дисплеи разделяются на пассивно-матричные (PMOLED), элементы изображения которых формируются в точках пересечения перпендикулярных друг другу анодных и катодных полос, а управление осуществляется внешней схемой, и активно-матричные (AMOLED), управление которыми осуществляют тонкопленочные полевые транзисторы, формируемые в виде матрицы, располагаемой под анодной пленкой.

Существуют три схемы цветных OLED дисплеев. В первой схеме используются три раздельных цветных эмиттера, т.е. три органических материала излучают свет базовых цветов - красный, зеленый и синий. Во второй схеме используются три одинаковых белых эмиттера, излучающих через цветные фильтры. В третьем варианте применяются голубые эмиттеры и специально подобранные люминесцентные материалы для преобразования коротковолнового голубого излучения в более длинноволновое - зеленое и красное.

В настоящее время, наиболее активно развивается применение органических светодиодов в производстве дисплеев, которые в перспективе должны будут заменить жидкокристаллические. Такие дисплеи обладают гибкостью, благодаря чему им можно придать практически любую форму. Ожидается также, что в будущем цена таких дисплеев станет в разы меньше жидкокристаллических.

Кроме того, активно ведутся разработки в области OLED-освещения, поскольку новые источники света демонстрируют великолепные возможности. Предполагается, что в ближайшем будущем органические светодиоды будут широко использоваться в самых различных областях, особенно в архитектуре и дизайне. Пример такого применения OLED - потолки, испускающие мягкий свет, окна, которые излучают свет с наступлением темноты, или светящиеся стеклянные стены. При этом можно без проблем управлять как цветом, так и яркостью светового излучения. Пока существующие источники света на основе органических светодиодов устанавливаются на стекло, которое выполняет функции подложки. Однако ведется работа над созданием гибких OLED-панелей, которые уже в течение нескольких лет станут доступны потребителям.

3.Различия LED и OLED на примере телевизора

Во-первых, отличие в размерах. Как мы знаем, экраны в LED-телевизорах подсвечиваются сзади, а ЖК-матрицы пропускают или не пропускают этот свет, формируя изображение. В OLED-телевизорах матрица вырабатывает свет сама, когда через нее пропускают электрический ток. В итоге это сказывается на толщине экрана. На примере экрана фирмы Х: 4 мм OLED против 30 мм у LED. Кроме того, при диагонали 55 дюймов OLED телевизор весит всего 7,5 кг.

Во-вторых, отличие в изображении. Цвет у OLED телевизоров формируется, как было сказано каждым светодиодом, тогда как LED-экраны получают цвет - пропуская подсветку через ЖК-матрицу. Таким образом, на OLED экране можно получить естественные цвета. Что касается черного цвета, то здесь у LED-телевизоров используется свойство ЖК-матрицы быть в определенных состояниях непрозрачной. OLED - просто отключает определенные области экрана. К тому же у органических светодиодов «бесконечная» контрастность, и это также положительно сказывается на цветопередаче.

В-третьих - конечно же безопасность для экологии. Низкое энергопотребление OLED, вкупе с ощутимым снижением энергозатрат на производство, упаковку и утилизацию телевизора, позволяют сказать о технологии органических светодиодов, как о наиболее передовой в вопросе экологической безопасности.

Заключение

Светодиоды обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с такими традиционными источниками света, как лампы накаливания и газоразрядные лампы. Причиной для этого является ряд преимуществ, таких , как большая длительность эксплуатации, малое энергопотребление, надежность, высокий КПД и многие другие.

Список литературы

1. Алфёров Ж.И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18.

2. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича. М., 1979.

3. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.

4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.

5. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. М., 1979.

6. Неменов Л. Л., Соминский М.С. Основы физики и техники полупроводников. Л., 1974.

7. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М., 1978.

Размещено на Allbest.ru