ไดโอดเปล่งแสง: ไพรเมอร์

สารกึ่งตัวนำที่เรียกว่าไดโอดเปล่งแสง (LED) เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง วัสดุและส่วนประกอบของเซมิคอนดักเตอร์จะเป็นตัวกำหนดสีของแสงเอาท์พุต โดย LED มักจะถูกจัดหมวดหมู่เป็นสามช่วงความยาวคลื่น: อัลตราไวโอเลต ที่มองเห็นได้ และอินฟราเรด

LED ที่มีจำหน่ายทั่วไปที่มีกำลังขับองค์ประกอบเดี่ยวอย่างน้อย 5 mW มีช่วงความยาวคลื่น 275 ถึง 950 นาโนเมตร โดยไม่คำนึงถึงผู้ผลิต ตระกูลวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เฉพาะใช้สำหรับแต่ละช่วงความยาวคลื่น ภาพรวมของการทำงานของ LED และการดูอย่างรวดเร็วของเซกเตอร์มีอยู่ในบทความนี้ นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายเกี่ยวกับ LED ชนิดต่างๆ ความยาวคลื่นที่เหมาะสม วัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง และการใช้งานบางอย่างสำหรับไฟเฉพาะ

UV LEDs (LED อัลตราไวโอเลต): 240 ถึง 360 นาโนเมตร

โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการฆ่าเชื้อในน้ำ การใช้งานทางการแพทย์/ชีวการแพทย์ และการบ่มในอุตสาหกรรม มีการใช้ UV LED ที่ความยาวคลื่นสั้นเพียง 280 นาโนเมตร ระดับพลังงานเอาต์พุตที่มากกว่า 100 มิลลิวัตต์ได้สำเร็จแล้ว แกลเลียมไนไตรด์/อะลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ (GaN/AlGaN) ที่มีความยาวคลื่น 360 นาโนเมตรหรือนานกว่านั้นเป็นวัสดุที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับ UV LED ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าใช้วัสดุพิเศษ ความยาวคลื่นที่สั้นกว่านั้นผลิตโดยผู้ให้บริการเพียงไม่กี่ราย และค่าใช้จ่ายสำหรับ LED เหล่านี้ยังคงค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับข้อเสนอผลิตภัณฑ์ LED ที่เหลือ แม้ว่าตลาดสำหรับความยาวคลื่น 360 นาโนเมตรและยาวกว่านั้นจะมีเสถียรภาพเนื่องจากราคาที่ลดลงและขนาดใหญ่ จัดหา.

ไฟ LED สีเขียวมีตั้งแต่ระยะใกล้ UV ถึง 530 นาโนเมตร

อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) เป็นวัสดุที่ใช้สำหรับสินค้าในช่วงความยาวคลื่นนี้ ในขณะที่มีความเป็นไปได้ทางเทคนิคในการผลิต LED ที่มีความยาวคลื่นระหว่าง 395 ถึง 530 นาโนเมตร ซัพพลายเออร์รายใหญ่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การสร้าง LED สีน้ำเงิน (450 ถึง 475 นาโนเมตร) สำหรับการส่องสว่างสีขาวที่ใช้สารเรืองแสงและ LED สีเขียวใน 520– ช่วง 530 นาโนเมตรสำหรับสัญญาณไฟจราจรสีเขียว คนส่วนใหญ่ถือว่าเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลัง LED เหล่านี้เป็นเทคโนโลยีขั้นสูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การปรับปรุงประสิทธิภาพด้านออปติกได้ช้าลงหรือหยุดลง

ไฟ LED ที่มีตั้งแต่สีเหลืองเขียวถึงแดง: 565 ถึง 645 นาโนเมตร

สารกึ่งตัวนำที่ใช้สำหรับช่วงความยาวคลื่นนี้คืออะลูมิเนียมอินเดียมแกลเลียมฟอสไฟด์ (AlInGaP) ส่วนใหญ่ผลิตในสัญญาณไฟจราจรความยาวคลื่นสีเหลือง (590 นาโนเมตร) และสีแดง (625 นาโนเมตร) แม้ว่าจะพบได้น้อยกว่า แต่สีเขียวมะนาว (หรือสีเขียวอมเหลือง 565 นาโนเมตร) และสีส้ม (605 นาโนเมตร) ก็มีให้ในเทคโนโลยีนี้เช่นกัน

เป็นที่น่าสังเกตว่าตัวปล่อยสีเขียวบริสุทธิ์ (555 นาโนเมตร) ไม่ใช่คุณสมบัติของเทคโนโลยี InGaN หรือ AlInGaP มีเทคโนโลยีที่เก่ากว่าและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในพื้นที่สีเขียวบริสุทธิ์นี้ แต่ไม่คิดว่ามีประสิทธิภาพหรือยอดเยี่ยม สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากการขาดเงินทุนสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุทางเลือกสำหรับช่วงความยาวคลื่นนี้ ตลอดจนการขาดผลประโยชน์หรือความต้องการเชิงพาณิชย์

660 ถึง 900 นาโนเมตร: สีแดงเข้มถึงอินฟราเรดใกล้ (IRLED)

การสร้างอุปกรณ์ในพื้นที่นี้มีหลายรูปแบบ แต่มักใช้องค์ประกอบอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (AlGaAs) หรือแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) การใช้งานทางการแพทย์จำนวนมาก (ที่ 660–680 นาโนเมตร) รวมถึงการควบคุมระยะไกลอินฟราเรดและไฟสำหรับการมองเห็นตอนกลางคืนอยู่ในบรรดาแอปพลิเคชัน

ทฤษฎีการทำงานของ LED

แรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอสำหรับอิเล็กตรอนที่จะเคลื่อนที่ข้ามบริเวณพร่องและรวมกับรูที่อยู่อีกด้านหนึ่งเพื่อสร้างคู่ของอิเล็กตรอนจะต้องถูกนำมาใช้เพื่อให้ LED ซึ่งเป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงเมื่อมีไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะถูกจ่ายในทิศทางไปข้างหน้าของอุปกรณ์ สิ่งนี้ทำให้อิเล็กตรอนปล่อยโฟตอนออกมาในขณะที่มันปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง

ความยาวคลื่นของแสงที่เปล่งออกมาขึ้นอยู่กับแถบความถี่ของสารกึ่งตัวนำ วัสดุแบนด์แกปที่สูงกว่าจะปล่อยความยาวคลื่นที่สั้นกว่าเนื่องจากความยาวคลื่นที่สั้นกว่าจะมีพลังงานมากกว่า แรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้นยังจำเป็นสำหรับการนำไฟฟ้าในวัสดุที่มีแถบความถี่กว้างกว่า ในขณะที่ LED แบบ Near-IR มีแรงดันไปข้างหน้าที่ 1.5 ถึง 2.0 V แต่ LED UV-Blue ความยาวคลื่นสั้นมีแรงดันไปข้างหน้าที่ 3.5 V

ปัจจัยความพร้อมใช้งานและประสิทธิภาพสำหรับความยาวคลื่น

ศักยภาพของตลาด ความต้องการของผู้บริโภค และความยาวคลื่นมาตรฐานอุตสาหกรรมคือปัจจัยหลักที่กำหนดว่าความยาวคลื่นหนึ่งๆ สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้หรือไม่ สิ่งนี้จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนที่สุดในช่วงความยาวคลื่น 420–460 นาโนเมตร, 480–520 นาโนเมตร และ 680–800 นาโนเมตร ไม่มีผู้ผลิตจำนวนมากที่ผลิตอุปกรณ์ LED สำหรับช่วงความยาวคลื่นเหล่านี้ เนื่องจากไม่มีการใช้งานในปริมาณมากสำหรับช่วงความยาวคลื่นเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม มีความเป็นไปได้ที่จะค้นหาผู้จำหน่ายขนาดเล็กหรือขนาดกลางที่จัดหาสินค้าเพื่อเติมเต็มความยาวคลื่นเฉพาะเหล่านี้ตามความต้องการ

ช่วงความยาวคลื่นที่เทคโนโลยีวัสดุแต่ละชนิดมีประสิทธิภาพสูงสุดอาจพบได้เกือบกึ่งกลางของแต่ละช่วง ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อระดับยาสลบของเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นหรือลดลงต่ำกว่าระดับที่เหมาะ ด้วยเหตุนี้ LED สีน้ำเงินจึงให้แสงมากกว่า LED สีเขียวหรือเกือบ UV LED สีเหลืองอำพันให้แสงมากกว่า LED สีเขียวเหลือง และ Near-IR ให้แสงมากกว่า 660 นาโนเมตร การออกแบบให้ตรงกลางของสเปกตรัมมากกว่าขอบเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเสมอ นอกจากนี้ยังง่ายกว่าที่จะได้สินค้าที่ไม่ข้ามพรมแดนของเทคโนโลยีวัสดุ

การจ่ายไฟ LED ด้วยกระแสและแรงดัน

ไฟ LED เป็นไดโอดและต้องทำงานในโหมดปัจจุบันแม้ว่าจะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ก็ตาม และต้องใช้แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำในการทำงาน เมื่อใช้ไฟ LED ในโหมด DC มีสองวิธีหลัก: การใช้ตัวต้านทานจำกัดกระแสเป็นวิธีที่ง่ายและเป็นที่นิยมมากที่สุด การกระจายความร้อนและพลังงานจำนวนมากในตัวต้านทานเป็นข้อเสียเปรียบของเทคโนโลยีนี้ แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายจะต้องสูงกว่าแรงดันไปข้างหน้าของ LED อย่างมาก เพื่อให้กระแสไฟคงที่ตลอดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอีกอุปกรณ์หนึ่ง

ซัพพลายเออร์หลายรายนำเสนอไดรเวอร์ LED เชิงพาณิชย์ที่จำหน่ายทั่วไป สำหรับการควบคุมความสว่าง โดยทั่วไปแล้วจะทำงานโดยใช้หลักการมอดูเลตความกว้างของพัลส์

ชุดของปัญหาที่แตกต่างกันเกิดขึ้นเมื่อ LED กะพริบในโหมดกระแสสูงและ/หรือแรงดันสูงสำหรับอาร์เรย์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน เป็นไปไม่ได้สำหรับนักออกแบบมือใหม่ที่จะสร้างไดรฟ์พัลส์ที่ควบคุมกระแสที่สามารถให้ 5 A และ 20 V ได้ มีบริษัทเพียงไม่กี่แห่งที่ผลิตเครื่องมือพิเศษสำหรับ LED ที่จ่ายพัลส์

ไฟ LED ในแอปพลิเคชันที่ผู้คนสามารถมองเห็นได้

สีที่แน่นอนมีความสำคัญมากกว่าในสถานการณ์ที่ LED ถูกมองโดยตรงหรือใช้เป็นลูมิเนเตอร์มากกว่าเอาต์พุตที่แม่นยำในหน่วยลูเมนหรือแคนเดลา สมองทำการปรับที่ยอดเยี่ยมสำหรับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มแสงในขณะที่สายตามนุษย์ไม่สนใจพวกมัน ตัวอย่างเช่น คนทั่วไปที่ดูหน้าจอวิดีโอ LED บนอาคาร จะไม่สังเกตเห็นว่าความเข้มลดลง 20 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากบางส่วนของหน้าจอถูกดูในมุม 10 ถึง 20 องศานอกแกนเมื่อเทียบกับส่วนที่อยู่บนแกนโดยตรง เนื่องจาก นี่คือการเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปซึ่งไม่รับรู้เมื่อเคลื่อนไปทางขอบของการมองเห็น ในทางตรงกันข้าม สายตาของมนุษย์จะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของสี และพบว่ามันน่ารำคาญหาก LED ในพื้นที่หนึ่งมีความยาวคลื่น 10 นาโนเมตรแตกต่างจากในพื้นที่อื่นๆ

ไฟ LED สีขาวส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันสร้างขึ้นโดยการผสมสารเรืองแสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีความยาวคลื่นยาวกว่าเข้ากับ LED สีน้ำเงิน ความคล้ายคลึงทางสเปกตรัมกับแสงแดดวัดได้จากดัชนีการเรนเดอร์สี (CRI) LED ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการให้แสงสว่างทั่วไปในปัจจุบันมีค่า CRI ดีกว่า 80 โดยที่ 100 ถือว่าเทียบเท่ากับแสงแดด LED สีขาวกำลังกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นที่ต้องการมากที่สุดสำหรับการใช้งานด้านแสงสว่างส่วนใหญ่ เนื่องจากความก้าวหน้าของ CRI และประสิทธิภาพด้านออปติกที่ดีขึ้น

ประโยชน์และการใช้งานของ LED

เมื่อเปรียบเทียบกับไฟกรอง LED มีประโยชน์หลายประการสำหรับการใช้งานแบบสีเดียว เนื่องจากมีการระบุสเปกตรัมความยาวคลื่นได้แม่นยำกว่า การประหยัดพลังงานจากการใช้หลอดไส้กรองสำหรับการใช้งานส่องสว่างทั่วไปอาจสูงกว่า 100 เท่า แอปพลิเคชันเช่นสัญญาณไฟจราจรและไฟสถาปัตยกรรมได้รับประโยชน์อย่างมากจากสิ่งนี้ แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กสามารถจ่ายไฟให้กับป้ายไฟ LED บนทางหลวงแบบพกพาพลังงานต่ำแทนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างชัดเจน

โดยทั่วไป ไฟ LED มีราคาไม่แพง เชื่อถือได้มากกว่า และอาจใช้พลังงานจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีราคาถูกกว่าเลเซอร์ ปัจจุบันไฟ LED ถูกแยกประเภทโดยทั้งในสหรัฐอเมริกาและสหภาพยุโรป โชคดีที่แตกต่างจากเลเซอร์และเลเซอร์ไดโอด ไฟ LED ไม่ได้มาพร้อมกับปัญหาด้านความปลอดภัยของดวงตาหรือการเตือนเช่นเดียวกัน ในทางกลับกัน เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างจุดที่มีความหนาแน่นทางแสง เล็กมาก และมีการเรียงตัวกันสูงด้วย LED เลเซอร์เป็นสิ่งที่จำเป็นเกือบตลอดเวลาในการใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงเป็นพิเศษในพื้นที่ที่มีขนาดกะทัดรัด

วันนี้ LED ถูกนำมาใช้ในภาคส่วนและการใช้งานที่หลากหลาย (ตารางที่ 1) อุปกรณ์เหล่านี้ประหยัดมากและน่าสนใจสำหรับทั้งตลาดผู้บริโภคและตลาดอุตสาหกรรม ต้องขอบคุณความน่าเชื่อถือที่ยอดเยี่ยม ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนรวมของระบบที่ลดลงเมื่อเทียบกับเลเซอร์และหลอดไฟ เทคโนโลยีและ/หรือสี LED ที่ไม่ซ้ำกันแต่ละรายการได้รับการสร้างสรรค์ขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการใช้งานเฉพาะอย่าง