발광 다이오드란 무엇입니까? 작동 및 응용 - 지식

발광 다이오드(Light Emitting Diode)란? 작동 및 응용

LED는 두 개의 리드가 있는 반도체 광원입니다. 발광 다이오드는 1962년 Nick Holonyak이 General Electric에 근무할 때 발명되었습니다. LED는 PN 접합 다이오드와 비슷한 전기적 특성을 지닌 독특한 종류의 다이오드입니다. 따라서 LED는 전기가 한 방향으로 흐르도록 허용하고 다른 방향은 차단합니다. LED가 차지하는 면적은 1mm2 미만입니다. LED는 다양한 전기 및 전자 프로젝트에 사용됩니다. 이 기사에서는 LED의 작동과 용도에 대해 다룹니다.

발광 다이오드: 그것은 무엇인가?

p-n 접합 다이오드는 발광 다이오드 역할을 합니다.- 이는 독특한 형태의 반도체이자 특별히 도핑된 다이오드입니다. 발광 다이오드는 순방향 바이어스 시 빛을 방출하는 장치입니다.

빛의 방출을 나타내는 두 개의 작은 화살표는 LED 기호와 다이오드 기호를 구별하므로 LED(발광 다이오드)라고 합니다.- LED에는 음극(-)과 양극(+)이라는 두 개의 단자가 있습니다. (-).

LED 기호 LED 기호 구성

LED의 구성은 기판 위에 세 개의 반도체 재료 층을 증착하여 설계되었기 때문에 매우 간단합니다. 이 세 개의 레이어는 서로 포개어 배치됩니다. 맨 위 레이어는 P- 유형 레이어, 중간 레이어는 활성 레이어, 맨 아래 레이어는 N- 유형 레이어입니다. 이 구조를 통해 반도체 재료의 세 영역을 볼 수 있습니다. 구조에서 정공은 P- 유형 영역에 존재하고, 선택은 N- 유형 영역에 존재하며, 정공과 전자 모두 활성 영역에 존재합니다.

전압이 공급되지 않으면 전자나 정공의 흐름이 없기 때문에 LED는 안정적입니다. LED는 전압이 공급되는 즉시 순방향 바이어스가 되어 N-영역의 전자와 P-영역의 정공이 활성 영역으로 이동하게 됩니다. 고갈 영역은 이 영역의 또 다른 이름입니다. 정공과 같은 전하 운반체는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠기 때문에 극성 전하의 재결합을 통해 빛이 생성될 수 있습니다.

발광 다이오드의 공정은 무엇입니까?

우리는 일반적으로 발광 다이오드를-다이오드라고 부릅니다. 다이오드가 순방향 바이어스될 때 전자와 정공은 접합부를 가로질러 빠르게 흐르며 지속적으로 결합하여 서로를 방해합니다. 전자가 n-형 실리콘에서 p-형 실리콘으로 전환되는 것처럼 정공과 결합한 다음 사라집니다.

러시아 발명가인 Oleg Losev는 1927년에 최초의 LED를 개발했으며 그의 연구의 이론적 토대 중 일부를 발표했습니다.
Kurt Lechovec 교수는 1952년에 패자 가설을 테스트하고 최초의 LED에 대한 설명을 제공했습니다.

최초의 녹색 LED는 1958년 Rubin Braunstein과 Egon Loebner에 의해 만들어졌습니다.

Nicholas Holonyak은 1962년에 빨간색 LED를 만들었습니다. 이로써 최초의 LED가 만들어졌습니다.

회로 기판에 LED를 사용한 최초의 컴퓨터는 1964년 IBM 모델이었습니다.

HP(Hewlett Packard)는 1968년에 계산기에 LED를 도입했습니다.

파란색 LED는 1971년 Jacques Pankove와 Edward Miller에 의해 만들어졌습니다.

전기 기술자 M. George Crawford는 1972년에 노란색 LED를 만들었습니다.

마그네슘과 미래 표준을 갖춘 파란색 LED는 1986년 스태포드 대학의 Walden C. Rhines와 Herbert Maruska에 의해 만들어졌습니다.

아마노 히로시(Hiroshi Amano)와 물리학자 이사무 아카스키(Isamu Akaski)는 1993년에 뛰어난 청색 LED를 갖춘 질화갈륨을 만들었습니다.

전기공학자 나카무라 슈지(Shuji Nakamura)는 아마노스&아카스키(Amanos & Akaski)의 발전을 통해 최초의 고휘도 청색 LED를 개발해 백색 LED 개발을 가속화했다.

전구당 £80에서 £100 사이의 비용이 드는 백색 LED가 2002년에 주거용으로 활용되었습니다.

2008년 들어 LED 조명은 기업, 병원, 학교에서 큰 인기를 끌었습니다.

2019년 주요 광원은 LED입니다. 이제 LED를 사용하여 집, 사무실, 병원, 학교 등 다양한 장소를 밝힐 수 있다는 점에서 이는 놀라운 혁신입니다.

바이어싱 발광 다이오드 회로

대부분의 LED의 전압 사양은 1~3V인 반면 순방향 전류 정격은 200~100mA입니다.

LED의 바이어스

전류 흐름은 전압이 작동 범위 내에 있음을 나타내기 때문에 1~3V 사이의 전압이 가해지면 LED가 올바르게 작동합니다. 이와 유사하게, LED에 작동 전압보다 높은 전압이 주어지면 높은 전류 흐름으로 인해 공핍 영역이 실패하게 됩니다. 이러한 예상치 못한 고전류 흐름으로 인해 가젯이 파손될 수 있습니다.

전압 소스 및 LED와 직렬로 저항기를 연결하면 이러한 현상을 방지할 수 있습니다. LED의 안전한 전류 수준 범위는 200mA~100mA이고, LED의 안전한 전압 정격 범위는 1V~3V입니다.

여기서 전압 소스와 LED 사이에 위치한 저항은 전류 제한 저항이라고 합니다. 이 저항이 전류 흐름을 조절하지 않으면 LED가 전류를 죽일 수 있기 때문입니다. 따라서 이 저항은 LED를 보호하는 데 필수적입니다.

LED를 통한 전류의 수학적 흐름에 대한 방정식은 다음과 같습니다.

IF=대 – VD/R

어디,

"IF" 전류가 순방향입니다.

전압 소스 'Vs'

발광 다이오드 양단의 전압 강하는-"VD"로 표시됩니다.

Rs는 전류 흐름을 제한하는 저항입니다.

공핍 영역의 장벽을 돌파하는 데 필요한 전압 강하. Si 또는 Ge 다이오드 전압 강하가 0.3V 이하이면 LED 전압 강하는 2~3V입니다.

Si 또는 Ge 다이오드와 달리 LED는 고전압에서 작동할 수 있습니다.

실리콘이나 게르마늄 다이오드에 비해 발광 다이오드는-작동하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

발광 다이오드 유형-

발광 다이오드는-다양한 종류가 있으며 그 중 일부는 아래에 나열되어 있습니다.

적외선-갈륨비소(GaAs) 및 빨간색에서 적외선-, 주황색 인화갈륨(GaAsP)
알루미늄 갈륨 비소 인(AlGaAsP)으로 제작된 고-밝기 빨간색, 주황색-빨간색, 주황색 및 노란색 LED
빨간색, 노란색 및 녹색 인산갈륨(GaP)
녹색은 인화알루미늄갈륨(AlGaP)의 색, 에메랄드그린은 질화갈륨(GaN)의 색, 파란색은 질화갈륨인듐(GaInN)의 색입니다.

기판으로는 청색의 탄화규소(SiC)를 사용
청색 셀렌화아연(ZnSe) 및 자외선 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)

LED 동작원리

양자 이론은 발광 다이오드 작동의 기초 역할을 합니다.- 양자 이론에 따르면, 전자가 더 높은 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 내려갈 때 광자는 에너지를 방출합니다. 이 두 에너지 준위 사이의 에너지 차이는 광자의 에너지와 같습니다. PN- 접합 다이오드의 순방향 바이어스 상태에 도달하면 전류가 다이오드를 통과합니다.

LED 동작원리

전류의 반대 방향으로 정공이 흐르고 전류의 방향으로 전자가 흐르는 것이 반도체에 전류가 흐르는 원인이다. 따라서 이러한 전하 캐리어의 이동으로 인해 재결합이 발생합니다.

전도대 전자는 재결합에 따라 원자가대로 뛰어내립니다. 전자기 에너지는 전자가 한 밴드에서 다른 밴드로 이동할 때 광자로 방출되며, 광자 에너지는 금지된 에너지 갭과 같습니다.

양자 이론을 예로 들어보겠습니다. 이 이론에 따르면 광자의 에너지는 주파수와 플랑크 상수의 합과 같습니다. 수학 공식이 표시됩니다.

방정식=HF

여기서 는 플랑크 상수라고 하며 기호 c로 표시되는 전자기 복사 속도는 빛의 속도와 같습니다.=c /에 관해서는 방사선의 주파수와 빛의 속도 사이의 관계입니다. 앞의 방정식은 전자기 복사의 파장으로 나타납니다.

Eq=he / λ

위의 방정식에 따르면 전자기 복사의 파장은 금지된 간격에 반비례합니다. 일반적으로 실리콘과 게르마늄 반도체의 조건과 가전자대는 재결합 중 전자기파의 완전한 복사가 적외선 복사의 형태를 취하는 것과 같습니다. 적외선의 파장은 가시광선의 범위 밖에 있기 때문에 우리에게 보이지 않습니다.

실리콘과 게르마늄 반도체는 직접 갭 반도체가 아닌 간접 갭 반도체이기 때문에 적외선 복사를 흔히 열이라고 합니다. 그러나 가전자대의 가장 높은 에너지 준위와 전도대의 최소 에너지 준위는 전자가 직접 갭 반도체에 존재할 때 존재하지 않습니다. 결과적으로, 전자 밴드의 운동량은 전자와 정공의 재결합 또는 전자가 전도대에서 가전자대로 이동하는 동안 달라집니다.

밝은 LED

LED를 생산하는 데 사용할 수 있는 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째 방식은 적색, 녹색, 청색 LED 칩을 하나의 패키지에 결합해 백색광을 내는 방식이고, 두 번째 방식은 인광을 사용하는 방식이다. 인광체의 형광을 둘러싸는 에폭시를 합산하면 InGaN LED 장치가 단파장 방사선을 활용하여 LED를 활성화합니다.

기본 첨가 색상으로 알려진 다양한 색상 감각을 생성하기 위해 파란색, 녹색, 빨간색 조명과 같은 다양한 색상의 조명을 다양한 양으로 결합합니다. 백색광은 이 세 가지 빛의 강도를 균등하게 결합하여 생성됩니다.

그럼에도 불구하고 녹색, 파란색, 빨간색 LED의 조합을 사용하여 이러한 조합을 달성하려면 다양한 색상의 조합 및 확산을 관리하기 위한 까다로운 전기광학 아키텍처가 필요합니다. 더욱이, 이 방법은 LED 색상의 변화로 인해 어려울 수 있습니다.

형광체 코팅이 적용된 하나의 LED 칩은 대부분의 백색 LED 제품 라인에 전력을 공급합니다. 이 코팅이 청색 광자 대신 자외선에 노출되면 백색광이 생성됩니다. 동일한 이론이 형광등에도 적용됩니다. 튜브 내부의 전기 방전으로 인해 UV가 방출되어 형광체가 흰색으로 깜박입니다.

이러한 LED 기술은 다양한 색상을 생성할 수 있지만 스크리닝을 통해 차이를 조절할 수 있습니다. CIE 다이어그램의 중심에 가까운 4개의 정확한 색도 좌표를 사용하여 백색 LED- 기반 장치를 검사합니다.

말굽형 곡선 내에서 얻을 수 있는 모든 색상 좌표가 CIE 다이어그램에 표시됩니다. 호의 깨끗한 색상이 퍼져 있지만 흰색 점이 중앙에 있습니다. 그래프 중앙에 표시된 4개의 점을 사용하여 백색 LED 출력 색상을 나타낼 수 있습니다. 4개의 그래프 좌표는 거의 순백색이지만 이러한 LED는 일반적으로 컬러 렌즈를 조명하는 표준 광원만큼 작동하지 않습니다.

이러한 LED는 불투명 백라이트가 있는 흰색 또는 투명 렌즈에 가장 유용합니다. 백색 LED는 이 기술이 계속 발전하는 한 의심할 바 없이 조명 소스 및 표시기로서 더욱 대중화될 것입니다.

뛰어난 효능

각 LED 단위에 대해 생성된 광속은 lm 단위로 측정되고, 전력 소비량은 W 단위로 측정됩니다. 빨간색 LED는 155lm/W, 황색 LED는 500lm/W, 파란색 LED의 정격 내부 효율은 75lm/W입니다. 내부 재흡수로 인해 손실이 고려될 수 있습니다.- 녹색 및 황색 LED의 발광 효율은 20~25lm/W입니다. 외부 효능이라고도 알려진 이러한 효능 개념은 다색 LED와 같은 다른 종류의 광원에 일반적으로 사용되는 효능 개념과 유사합니다.

다양한 색상의 다이오드 광원

다색 LED는{0}}순방향 바이어스로 연결하면 하나의 색조를 생성하고 역방향 바이어스로 연결하면 다른 색상을 생성하는 발광 다이오드입니다.

이러한 LED에는 실제로 두 개의 PN{0}}접합이 있으며, 한 쪽의 음극을 다른 쪽의 양극에 연결하여 병렬로 연결할 수 있습니다.

한 방향으로 바이어스되면 다색 LED는 일반적으로 빨간색이고, 반대 방향으로 바이어스되면 녹색입니다. 이 LED는 두 극성 사이에서 매우 빠르게 켜지면 세 번째 색상을 생성합니다. 바이어스 극성 사이를 빠르게 전환하면 녹색 또는 빨간색 LED가 노란색 빛을 생성합니다.

LED에 대한 두 가지 다른 설정은 무엇입니까?

두 개의 유사한 이미터와 COB가 기본 LED 설정입니다.

이미터는 회로 기판을 향해 배치되기 전에 방열판에 부착되는 단일 다이입니다. 이 회로 기판은 전력을 공급하는 동시에 방출기에서 열을 빼냅니다.

조사관들은 LED 기판을 제거할 수 있고 단일 다이를 회로 기판에 자유롭게 배치할 수 있어 비용을 절감하고 조명 균일성을 향상시키는 데 도움이 된다는 사실을 발견했습니다. 따라서 이 디자인을 COB(칩-온-보드 어레이)라고 합니다.

LED의 장점과 단점

다음은 발광 다이오드의 몇 가지 장점-입니다.

LED는 크기가 작고 가격이 저렴합니다.

LED를 사용하여 전기를 제어합니다.

마이크로프로세서의 도움으로 LED의 강도가 달라질 수 있습니다.

오랜 시간
에너지 측면에서 효율적
경기 전-준비 준비 없음
엄격한
영하의 기온에 영향을 받지 않음
뛰어난 방향성 컬러 렌더링
제어 가능하고 환경 친화적
다음은 LED 기술의 몇 가지 단점입니다.

가격
온도에 대한 민감도
온도 민감도
전기 극성 및 조명 품질
전기적 감도
효율성이 급락합니다.
곤충에 대한 결과
발광 다이오드의- 용도

LED에는 다양한 용도가 있으며 그 중 일부는 아래에 설명되어 있습니다.