דיודות פולטות אור: פריימר

מוליכים למחצה הנקראים דיודות פולטות אור (LED) הופכים אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור. החומר וההרכב של המוליכים למחצה קובעים את צבע האור הפלט, כאשר נוריות LED לרוב מסווגות לשלושה אורכי גל: אולטרה סגול, גלוי ואינפרא אדום.

לנוריות ה-LED הזמינות מסחריות עם הספק פלט של אלמנט בודד של לפחות 5 mW יש טווח אורכי גל של 275 עד 950 ננומטר. ללא קשר ליצרן, משפחת חומרי מוליכים למחצה מסוימת משמשת עבור כל טווח אורכי גל. סקירה כללית של תפקוד LED ומבט מהיר על המגזר מסופקים במאמר זה. כמו כן יתקיים דיון על סוגי LED שונים, אורכי הגל המתאימים, החומרים המשמשים בבנייתם, וכמה שימושים בנורות המסוימות.

נוריות UV (נוריות אולטרה סגולות): 240 עד 360 ננומטר

במיוחד עבור חיטוי מים, יישומים רפואיים/ביו-רפואיים ואשפרה תעשייתית, משתמשים ב-LED UV. באורכי גל קצרים כמו 280 ננומטר, הושגו רמות תפוקה של יותר מ-100 mW. גליום ניטריד/אלומיניום גליום ניטריד (GaN/AlGaN) עם אורכי גל של 360 ננומטר או יותר הוא החומר המשמש לרוב עבור נוריות UV. אורכי גל קצרים יותר עושים שימוש בחומרים בלעדיים. אורכי גל קצרים יותר מיוצרים על ידי ספקים בודדים בלבד, והעלויות עבור נוריות אלה עדיין גבוהות למדי בהשוואה לשאר הצעות מוצרי ה-LED, גם אם שוק אורכי הגל של 360 ננומטר ומעלה מתייצב עקב התמחור מופחת ומחיר גדול יותר. לְסַפֵּק.

נוריות LED ירוקות נעות בין כמעט UV ל-530 ננומטר

אינדיום גליום ניטריד (InGaN) הוא החומר המשמש למוצרים בטווח אורכי גל זה. למרות שזה אפשרי מבחינה טכנית לייצר LED עם אורך גל של כל ערך בין 395 ל-530 ננומטר, רוב הספקים הגדולים מתמקדים ביצירת נוריות LED כחולות (450 עד 475 ננומטר) עבור תאורה לבנה מבוססת זרחן ונוריות LED ירוקות ב-520– טווח של 530 ננומטר עבור תאורה ירוקה של האותות. רוב האנשים מחשיבים את הטכנולוגיה מאחורי נוריות הלד הללו כמתקדמת. במהלך השנים האחרונות, שיפורים ביעילות האופטית הואטו או פסקו.

נוריות LED הנעות בין צהוב-ירוק לאדום: 565 עד 645 ננומטר

החומר המוליך למחצה המשמש עבור טווח אורכי גל זה הוא אלומיניום אינדיום גליום פוספיד (AlInGaP). הוא מיוצר בעיקר באורכי גל צהוב (590 ננומטר) ואדום (625 ננומטר). למרות שהם פחות נפוצים, הירוק ליים (או צהבהב-ירוק 565 ננומטר) וכתום (605 ננומטר) מוצעים גם בטכנולוגיה זו.

ראוי לציין שהפולט הירוק הטהור (555 ננומטר) אינו תכונה של טכנולוגיות InGaN או AlInGaP. ישנן טכנולוגיות ישנות יותר ופחות יעילות בתחום הזה של ירוק טהור, אבל הן לא נחשבות יעילות או מבריקות. הדבר נגרם בעיקר מחוסר מימון לפיתוח טכנולוגיות חומר חלופיות לטווח אורכי גל זה וכן מחוסר עניין או ביקוש מסחרי.

660 עד 900 ננומטר: אדום עמוק עד אינפרא אדום קרוב (IRLED)

בניית התקנים באזור זה יכולה ללבוש צורות רבות ושונות, אך הם תמיד משתמשים ביסודות אלומיניום גליום ארסניד (AlGaAs) או גליום ארסניד (GaAs). שימושים רפואיים רבים (ב-660–680 ננומטר) כמו גם שלטי אינפרא אדום ואורות ראיית לילה הם בין היישומים.

תורת פעולת LED

יש להפעיל מתח חשמלי שמספיק לאלקטרונים לנוע על פני אזור הדלדול ולהתאחד עם חור בצד השני ליצירת זוג אלקטרונים-חורים על מנת שנוריות LED, שהן דיודות מוליכות למחצה, יפלטו אור כאשר הזרם מופעל בכיוון קדימה של המכשיר. זה גורם לאלקטרון לפלוט פוטון כשהוא משחרר את האנרגיה שלו בצורה של אור.

אורך הגל של האור הנפלט תלוי בפער הפס של המוליך למחצה. חומרים בעלי פער פס גבוה יותר פולטים אורכי גל קצרים יותר מכיוון שלאורך גל קצר יותר יש יותר אנרגיה. מתחים גדולים יותר נחוצים גם להולכה בחומרים בעלי מרווח פס גדול יותר. בעוד שללדים קרובים ל-IR יש מתח קדימה של 1.5 עד 2.0 V, לנוריות LED כחולות UV קצרות יש מתח קדימה של 3.5 V.

גורמי זמינות ויעילות עבור אורכי גל

פוטנציאל שוק, ביקוש צרכנים ואורכי גל בסטנדרטים בתעשייה הם הקובעים העיקריים האם אורך גל מסוים הוא בר-קיימא מסחרית או לא. זה בולט ביותר בטווחי אורכי גל 420-460 ננומטר, 480-520 ננומטר ו-680-800 ננומטר. אין יצרנים בעלי נפח גבוה המייצרים מכשירי LED עבור טווחי אורכי גל אלו מכיוון שאין בהם שימושים בנפח גבוה. עם זאת, ניתן לאתר ספקים קטנים או בינוניים המספקים סחורות למילוי אורכי גל ספציפיים אלה בהתאמה אישית.

אזור אורך הגל שבו כל טכנולוגיית חומר היא היעילה ביותר עשוי להימצא כמעט במרכז כל טווח. היעילות פוחתת ככל שרמת הסימום של המוליך למחצה עולה או יורדת מתחת לרמה האידיאלית. מסיבה זו, LED כחול מייצר הרבה יותר אור מאשר LED ירוק או כמעט UV, ענבר מייצר יותר אור מאשר LED צהוב-ירוק, וכמעט-IR מייצר יותר אור מ-660 ננומטר. עיצוב לאמצע הספקטרום ולא לקצוות הוא תמיד אפשרות טובה יותר. בנוסף, קל יותר להשיג סחורות שאינן חוצות את גבולות הטכנולוגיה החומרית.

אספקת נוריות עם זרם ומתח

נוריות LED הן דיודות ויש להפעיל אותן במצב זרם למרות שהן מוליכים למחצה ודורשים מתח מינימלי כדי לתפקד. בעת שימוש ב-LED במצב DC, ישנן שתי שיטות עיקריות: השימוש בנגד מגביל זרם הוא הפשוט והפופולרי ביותר. פיזור החום וההספק הניכר בנגד הוא חסרון של טכנולוגיה זו. מתח האספקה ​​צריך להיות גבוה משמעותית מהמתח הקדמי של הנורית כדי שהזרם יישאר יציב לאורך שינויי טמפרטורה וממכשיר אחד למשנהו.

נהגי LED מסחריים מהמדף מוצעים על ידי מגוון ספקים. עבור בקרת בהירות, הם פועלים בדרך כלל תוך שימוש בעקרונות אפנון רוחב הדופק.

קבוצה ברורה של בעיות מתעוררת בעת פעימת נוריות LED במצב זרם גבוה ו/או מתח גבוה עבור מערכים המחוברים בסדרה ובמקביל. זה לא מעשי עבור מעצב מתחיל ליצור כונן דופק מבוקר זרם שיכול לספק 5 A ו-20 V. כמה חברות מייצרות כלים מיוחדים עבור נוריות מפעימות.

נוריות באפליקציות שאנשים יכולים לראות

הצבע המדויק משפיע באופן משמעותי יותר במצבים שבהם נוריות LED נראות ישירות או משמשות כמאירים מאשר פלט מדויק בלומנס או בקנדלה. המוח מבצע התאמות מצוינות לכל וריאציות בעוצמת האור בעוד שהעין האנושית אדישה אליהם יחסית. אדם ממוצע הצופה במסך וידאו LED בבניין, למשל, לא יבחין בירידה של 20 אחוז בעוצמה מכיוון שחלקים מהמסך נצפים ב-10 מעלות עד 20 מעלות מחוץ לציר בהשוואה לחלק ישירות על הציר, מכיוון זהו שינוי הדרגתי שאינו נתפס כאשר הוא נע לעבר קצה הראייה. לעומת זאת, העין האנושית תבחין בשינוי צבע ותמצא שזה מטריד אם לנורות ה-LED של אזור יש הבדל של 10 ננומטר באורך גל מאלה שבאזורים אחרים.

רוב נוריות הלד הלבנות בשימוש היום נוצרות על ידי החדרת זרחן גלוי באורך גל ארוך יותר עם LED כחול. הדמיון הספקטרלי לשמש נמדד על ידי אינדקס עיבוד הצבע (CRI). לרוב נוריות הלד המשמשות בתאורה כללית בימינו יש CRI טוב יותר מ-80, כאשר 100 נחשבות שוות ערך לשמש. נוריות LED לבנות הופכות למוצר המבוקש ביותר עבור רוב יישומי התאורה בשל התקדמות CRI ויעילות אופטית משופרת.

יתרונות ושימושים של LED

בהשוואה לאורות מסוננים, לנורות ה-LED יש מספר יתרונות ליישומים מונוכרומטיים שכן ספקטרום אורך הגל שלהם מצויין בצורה מדויקת יותר. החיסכון באנרגיה משימוש בנורת ליבון מסוננת ליישומי תאורה כללית יכול להיות גבוה פי 100. יישומים כמו אותות תנועה ואורות אדריכליים נהנים מכך מאוד. פאנל סולארי זעיר יכול להפעיל בקלות שלטי LED ניידים לכביש מהיר במקום גנרטור גדול, וזה יתרון ברור.

באופן כללי, נוריות LED פחות יקרות, אמינות יותר, ועשויות להיות מופעלות על ידי אלקטרוניקה זולה יותר מלייזרים. נורות LED מסווגות כעת בנפרד הן על ידי ארה"ב והן האיחוד האירופי. למרבה המזל, בניגוד ללייזרים ודיודות לייזר, נוריות LED אינן מגיעות עם אותן בעיות בטיחות בעיניים או אזהרות. מצד שני, אי אפשר ליצור ספוטים צפופים אופטית, זעירים מאוד ומאוד קולימטים עם לדים. כמעט תמיד יש צורך בלייזר ביישומים הדורשים צפיפות הספק גבוהה במיוחד באזור קומפקטי.

כיום, נוריות LED משמשות במגוון רחב של מגזרים ויישומים (טבלה 1). התקנים אלה חסכוניים במיוחד ומושכים הן לשוק הצרכנים והן לשוק התעשייתי הודות לאמינותם הרבה, היעילות הגבוהה ועלות המערכת הכוללת המופחתת בהשוואה ללייזרים ומנורות. כל טכנולוגיית LED ו/או צבע ייחודיים נוצרו כדי לענות על הצרכים של שימוש מסוים.