발광 다이오드 란 무엇인가 : 작동 및 응용

발광 다이오드는 2 리드 반도체 광원입니다. 1962 년 Nick Holonyak은 발광 다이오드에 대한 아이디어를 내 놓았고 일반 전기 회사에서 일했습니다. LED는 특수한 유형의 다이오드이며 PN 접합 다이오드와 유사한 전기적 특성을 가지고 있습니다. 따라서 LED는 순방향으로 전류의 흐름을 허용하고 역방향으로 전류를 차단합니다. LED는 다음보다 작은 작은 영역을 차지합니다. 1mm^두 . LED의 응용 다양한 전기 및 전자 프로젝트를 만드는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 LED의 작동 원리와 응용 분야에 대해 설명합니다.

발광 다이오드 란?

발광 다이오드는 p-n 접합 다이오드 . 특수 도핑 된 다이오드이며 특수 유형의 반도체로 구성됩니다. 빛이 순방향 바이어스로 방출되면 발광 다이오드라고합니다.

발광 다이오드

LED 기호

LED 기호는 빛의 방출을 지정하는 두 개의 작은 화살표를 제외하고 다이오드 기호와 유사하므로 LED (발광 다이오드)라고합니다. LED에는 양극 (+)과 음극 (-)이라는 두 개의 단자가 있습니다. LED 기호는 아래와 같습니다.

LED 기호

LED 건설

LED의 구성은 기판 위에 3 개의 반도체 재료 층을 증착하여 설계 되었기 때문에 매우 간단합니다. 이 세 개의 레이어는 상단 영역이 P 형 영역이고, 중간 영역이 활성 상태이며, 마지막으로 하단 영역이 N 형인 경우 하나씩 배열됩니다. 반도체 재료의 세 영역은 구성에서 관찰 할 수 있습니다. 구성에서 P 형 영역은 정공을 포함하고 N 형 영역은 선거를 포함하는 반면 활성 영역은 정공과 전자를 모두 포함합니다.

LED에 전압이 가해지지 않으면 전자와 정공의 흐름이 없어 안정적입니다. 전압이 가해지면 LED가 순방향 바이어스되어 N 영역의 전자와 P 영역의 정공이 활성 영역으로 이동합니다. 이 영역은 고갈 영역이라고도합니다. 정공과 같은 전하 캐리어는 양전하를 포함하는 반면 전자는 음전하를 갖기 때문에 극성 전하의 재결합을 통해 빛이 생성 될 수 있습니다.

발광 다이오드는 어떻게 작동합니까?

발광 다이오드는 간단하게 다이오드로 알려져 있습니다. 다이오드가 순방향 바이어스되면 전자와 정공이 접합부를 가로 질러 빠르게 이동하고 지속적으로 결합되어 서로 제거됩니다. 전자가 n 형에서 p 형 실리콘으로 이동하자마자 정공과 결합한 다음 사라집니다. 따라서 그것은 완전한 원자를 더 안정적으로 만들고 작은 패킷 또는 광자 형태의 에너지를 조금씩 제공합니다.

발광 다이오드의 작동

위의 다이어그램은 발광 다이오드의 작동 방식과 다이어그램의 단계별 프로세스를 보여줍니다.

• 위의 그림에서 N 형 실리콘은 검은 색 원으로 표시된 전자를 포함하여 빨간색으로 표시되어 있음을 알 수 있습니다.
• P 형 실리콘은 파란색이며 구멍이 있으며 흰색 원으로 표시됩니다.
• p-n 접합을 가로 지르는 전원 공급 장치는 다이오드를 순방향 바이어스하고 n 형에서 p 형으로 전자를 밀어냅니다. 반대 방향으로 구멍을 밉니다.
• 접합부의 전자와 구멍이 결합됩니다.
• 전자와 정공이 재결합됨에 따라 광자가 방출됩니다.

발광 다이오드의 역사

LED는 1927 년에 발명되었지만 새로운 발명은 아닙니다. LED 이력에 대한 간략한 검토는 아래에서 설명합니다.

• 1927 년에 Oleg Losev (러시아 발명가)는 최초의 LED를 만들고 그의 연구에 대한 몇 가지 이론을 발표했습니다.
• 1952 년에 Kurt Lechovec 교수는 Losers 이론의 이론을 테스트하고 최초의 LED에 대해 설명했습니다.
• 1958 년, 최초의 녹색 LED는 Rubin Braunstein과 Egon Loebner에 의해 발명되었습니다.
• 1962 년에 Nick Holonyak이 적색 LED를 개발했습니다. 따라서 첫 번째 LED가 생성됩니다.
• 1964 년 IBM은 처음으로 컴퓨터에서 회로 기판에 LED를 구현했습니다.
• 1968 년에 HP (Hewlett Packard)는 계산기에서 LED를 사용하기 시작했습니다.
• 1971 년 Jacques Pankove와 Edward Miller는 파란색 LED를 발명했습니다.
• 1972 년에 M. George Crawford (전기 엔지니어)가 노란색 LED를 발명했습니다.
• 1986 년, 스태포드 대학의 Walden C. Rhines & Herbert Maruska는 미래 표준을 포함하는 마그네슘이 포함 된 청색 LED를 발명했습니다.
• 1993 년에 Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski는 고품질 청색 LED가있는 질화 갈륨을 개발했습니다.
• Shuji Nakamura와 같은 전기 엔지니어는 Amanos & Akaski 개발을 통해 고휘도 최초의 청색 LED를 개발했으며, 이는 빠르게 백색 LED의 확장으로 이어졌습니다.
  2002 년에는 백색 LED가 주거용으로 사용되었으며 각 전구에 대해 약 £ 80에서 £ 100 정도 충전되었습니다.
• 2008 년에 LED 조명은 사무실, 병원 및 학교에서 매우 인기가 있습니다.
• 2019 년에는 LED가 주요 광원이되었습니다.
• LED 개발은 작은 표시에서 사무실, 가정, 학교, 병원 등을 비추는 데 이르기까지 다양하기 때문에 놀랍습니다.

바이어스 용 발광 다이오드 회로

대부분의 LED는 정격 전압이 1V-3V 인 반면 순방향 전류 정격은 200mA-100mA입니다.

LED 바이어스

LED에 전압 (1V ~ 3V)이인가되면인가 된 전압에 대한 전류의 흐름이 동작 범위에 있기 때문에 정상적으로 동작합니다. 마찬가지로 LED에인가 된 전압이 작동 전압보다 높으면 높은 전류 흐름으로 인해 발광 다이오드 내의 공핍 영역이 파괴됩니다. 이 예기치 않은 높은 전류 흐름은 장치를 손상시킵니다.

이것은 전압 소스 및 LED와 직렬로 저항을 연결하여 피할 수 있습니다. LED의 안전 전압 정격 범위는 1V ~ 3V이고 안전 전류 정격 범위는 200mA ~ 100mA입니다.

여기서 전압원과 LED 사이에 배치 된 저항은 전류 제한 저항으로 알려져 있습니다.이 저항은 전류의 흐름을 제한하기 때문입니다. 그렇지 않으면 LED가이를 파괴 할 수 있습니다. 따라서이 저항은 LED 보호에 중요한 역할을합니다.

수학적으로 LED를 통한 전류 흐름은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

IF = Vs – VD / R

어디,

‘IF’가 순방향 전류

'Vs'는 전압 소스입니다.

'VD'는 발광 다이오드의 전압 강하입니다.

‘Rs’는 전류 제한 저항입니다.

공핍 영역의 장벽을 무너 뜨리기 위해 전압이 떨어졌습니다. LED 전압 강하는 2V ~ 3V 범위이며 Si 또는 Ge 다이오드는 0.3이고 그렇지 않으면 0.7V입니다.

따라서 LED는 Si 또는 Ge 다이오드에 비해 고전압을 사용하여 작동 할 수 있습니다.
발광 다이오드는 작동하는 데 실리콘 또는 게르마늄 다이오드보다 더 많은 에너지를 소비합니다.

발광 다이오드의 유형

있습니다 다양한 유형의 발광 다이오드 존재하고 그들 중 일부는 아래에 언급되어 있습니다.

• 갈륨 비소 (GaAs) – 적외선
• 갈륨 비소 인화물 (GaAsP) – 적색에서 적외선, 주황색
• 알루미늄 갈륨 비소 인화물 (AlGaAsP) – 고휘도 빨간색, 주황색-빨간색, 주황색 및 노란색
• 갈륨 인화물 (GaP) – 빨간색, 노란색 및 녹색
• 알루미늄 갈륨 인화물 (AlGaP) – 녹색
• 질화 갈륨 (GaN) – 녹색, 에메랄드 녹색
• 갈륨 인듐 질화물 (GaInN) – 거의 자외선, 청록색 및 파란색
• 실리콘 카바이드 (SiC) – 기판으로서의 청색
• Zinc Selenide (ZnSe) – 파란색
• 알루미늄 갈륨 질화물 (AlGaN) – 자외선

LED의 작동 원리

발광 다이오드의 작동 원리는 양자 이론을 기반으로합니다. 양자 이론은 전자가 높은 에너지 수준에서 낮은 에너지 수준으로 내려갈 때 에너지가 광자에서 방출된다고 말합니다. 광자 에너지는이 두 에너지 수준 사이의 에너지 갭과 같습니다. PN 접합 다이오드가 순방향 바이어스 상태이면 전류가 다이오드를 통해 흐릅니다.

LED의 작동 원리

반도체의 전류 흐름은 전류의 반대 방향으로의 정공 흐름과 전류 방향의 전자 흐름에 의해 발생합니다. 따라서 이러한 전하 캐리어의 흐름으로 인해 재결합이 발생합니다.

재결합은 전도대의 전자가 가전 자대로 점프 함을 나타냅니다. 전자가 한 밴드에서 다른 밴드로 점프하면 전자는 광자 형태로 전자기 에너지를 방출하고 광자 에너지는 금지 된 에너지 갭과 같습니다.

예를 들어, 양자 이론을 고려해 보겠습니다. 광자의 에너지는 플랑크 상수와 전자기 복사 주파수의 곱입니다. 수학 방정식이 표시됩니다.

식 = hf

플랑크 상수로 알려진 곳에서 전자기 복사의 속도는 빛의 속도, 즉 c. 주파수 복사는 f = c / λ로 빛의 속도와 관련이 있습니다. λ는 전자기 복사의 파장으로 표시되며 위의 방정식은

Eq = he / λ

위의 방정식에서 전자기 복사의 파장은 금지 된 간격에 반비례한다고 말할 수 있습니다. 일반적으로 실리콘, 게르마늄 반도체는 이러한 금지 된 에너지 갭이 조건과 원자가 대 사이에있어 재결합시 전자기파의 총 복사가 적외선의 형태가되도록합니다. 적외선의 파장은 가시 범위를 벗어 났기 때문에 볼 수 없습니다.

적외선은 실리콘과 게르마늄 반도체가 직접 갭 반도체가 아니라 간접 갭 반도체이기 때문에 열이라고합니다. 그러나 직접 갭 반도체에서는 가전 자대의 최대 에너지 준위와 전도대의 최소 에너지 준위가 전자의 동일한 순간에 발생하지 않습니다. 따라서 전자와 정공의 재결합 동안 전도대에서 가전 자대로 전자가 이동하면 전자 대의 운동량이 변하게됩니다.

백색 LED

LED 제조는 두 가지 기술을 통해 수행 할 수 있습니다. 첫 번째 기술에서는 적색, 녹색 및 청색과 같은 LED 칩을 유사한 패키지 내에 병합하여 백색광을 생성하는 반면 두 번째 기술에서는 인광을 사용합니다. 형광체 내부의 형광은 주변의 에폭시 내에서 요약 될 수 있으며 LED는 InGaN LED 장치를 사용하여 단파장 에너지를 통해 활성화됩니다.

파란색, 녹색 및 빨간색 조명과 같은 다른 색상 조명은 변경 가능한 양으로 결합되어 기본 첨가 색상으로 알려진 다른 색상 감각을 생성합니다. 이 세 가지 빛의 강도가 동일하게 추가되어 백색광을 생성합니다.

그러나 녹색, 청색 및 적색 LED의 조합을 통해 이러한 조합을 달성하려면 다양한 색상의 조합 및 확산을 제어하기위한 복잡한 전기 광학 설계가 필요합니다. 또한이 접근 방식은 LED 색상의 변화로 인해 복잡 할 수 있습니다.

백색 LED의 제품 라인은 주로 형광체 코팅을 사용하는 단일 LED 칩에 의존합니다.이 코팅은 자외선을 통과하면 백색광을 생성합니다. 동일한 원리가 형광 전구에도 적용됩니다. 튜브 내의 방전에서 자외선이 방출되면 형광체가 흰색으로 깜박입니다.

이 LED 프로세스는 다른 색상을 생성 할 수 있지만 스크리닝을 통해 차이를 제어 할 수 있습니다. 백색 LED 기반 장치는 CIE 다이어그램의 중앙에 인접한 4 개의 정확한 색도 좌표를 사용하여 스크리닝됩니다.

CIE 다이어그램은 말굽 곡선 내에서 달성 가능한 모든 색상 좌표를 설명합니다. 깨끗한 색상은 호 위에 있지만 흰색 팁은 중앙에 있습니다. 백색 LED 출력 색상은 그래프 중앙에 표시되는 4 개의 점을 통해 표시 될 수 있습니다. 4 개의 그래프 좌표가 깨끗한 흰색에 가깝지만 이러한 LED는 일반적으로 컬러 렌즈를 비추는 일반적인 광원처럼 효과적이지 않습니다.

이 LED는 주로 투명 렌즈, 백라이트 불투명 흰색에 유용합니다. 이 기술이 계속 발전하면 백색 LED는 확실히 조명 원 및 표시기로 명성을 얻게 될 것입니다.

발광 효능

LED의 발광 효율은 각 장치에 대해 lm 단위로 생성 된 광속으로 정의 할 수 있으며 전력은 W 내에서 사용할 수 있습니다. 파란색 LED의 정격 내부 효율 순서는 75 lm / W입니다. 황색 LED는 500 lm / W 및 빨간색입니다. LED는 155lm / W입니다. 내부 재 흡수로 인해 녹색 및 황색 LED의 경우 20 ~ 25lm / W 범위의 발광 효율 범위를 고려하여 손실을 고려할 수 있습니다. 이 효능 정의는 외부 효능이라고도하며 일반적으로 다색 LED와 같은 다른 유형의 광원에 사용되는 효능 정의와 유사합니다.

다색 발광 다이오드

순방향 바이어스로 연결하면 한 가지 색상을 생성하고 역방향 바이어스로 연결하면 색상을 생성하는 발광 다이오드를 다색 LED라고합니다.

실제로 이러한 LED는 두 개의 PN 접합을 포함하며이 연결은 다른 하나의 음극에 연결된 하나의 양극과 병렬로 수행 될 수 있습니다.

다색 LED는 일반적으로 한 방향으로 바이어스되면 빨간색이고 다른 방향으로 바이어스되면 녹색입니다. 이 LED가 두 극성 사이에서 매우 빠르게 켜지면이 LED는 세 번째 색상을 생성합니다. 녹색 또는 빨간색 LED는 바이어스 극성 사이에서 앞뒤로 빠르게 전환되면 노란색 빛을 생성합니다.

다이오드와 LED의 차이점은 무엇입니까?

다이오드와 LED의 주요 차이점은 다음과 같습니다.

LED의 I-V 특성

시장에는 다양한 유형의 발광 다이오드가 있으며 색광 또는 파장 복사, 광 강도를 포함하는 다양한 LED 특성이 있습니다. LED의 중요한 특징은 색상입니다. LED 사용 시작시에는 빨간색 만 있습니다. 반도체 공정의 도움으로 LED의 사용이 증가하고 LED의 새로운 금속에 대한 연구가 진행되면서 다양한 색상이 형성되었습니다.

LED의 I-V 특성

다음 그래프는 순방향 전압과 전류 사이의 대략적인 곡선을 보여줍니다. 그래프의 각 곡선은 다른 색상을 나타냅니다. 이 표는 LED 특성의 요약을 보여줍니다.

LED의 특성

두 가지 유형의 LED 구성은 무엇입니까?

LED의 표준 구성은 COB뿐만 아니라 이미 터와 같은 두 가지입니다.

이미 터는 회로 기판을 향해 장착 된 다음 방열판에 장착되는 단일 다이입니다. 이 회로 기판은 이미 터에 전력을 공급하는 동시에 열을 배출합니다.

비용을 절감하고 빛의 균일 성을 높이기 위해 조사자들은 LED 기판을 분리 할 수 ​​있고 단일 다이를 회로 기판에 개방적으로 장착 할 수 있다고 결정했습니다. 따라서이 디자인을 COB (chip-on-board array)라고합니다.

LED의 장단점

그만큼 발광 다이오드의 장점 다음을 포함하십시오.

• LED의 비용은 더 적고 적습니다.
• LED를 사용하여 전기를 제어합니다.
• LED의 강도는 마이크로 컨트롤러의 도움으로 다릅니다.
• 긴 수명
• 효율적인 에너지
• 워밍업 기간 없음
• 엄격한
• 저온에 영향을받지 않습니다.
• 방향성
• 연색성이 우수합니다.
• 환경 친화적 인
• 제어 가능

그만큼 발광 다이오드의 단점 다음을 포함하십시오.

• 가격
• 온도 감도
• 온도 의존성
• 빛의 질
• 전기 극성
• 전압 감도
• 효율성 저하
• 곤충에 대한 영향

발광 다이오드의 응용

LED는 많은 응용 분야가 있으며 그중 일부는 아래에 설명되어 있습니다.

• LED는 가정과 산업에서 전구로 사용됩니다.
• 발광 다이오드는 오토바이와 자동차에 사용됩니다.
• 휴대 전화에서 메시지를 표시하는 데 사용됩니다.
• 신호등에서 LED가 사용됩니다

따라서이 기사에서는 발광 다이오드 개요 회로 작동 원리 및 응용. 이 기사를 읽음으로써 발광 다이오드의 기본 및 작동 정보를 얻었기를 바랍니다. 이 기사 또는 마지막 해 전기 프로젝트에 대한 질문이 있으시면 아래 섹션에 자유롭게 의견을 남겨주십시오. 여기에 질문이 있습니다. LED 란 무엇이며 어떻게 작동합니까?