LED แบบเต็มคือ Light Emitting Diode ไฟ LED เป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิเศษที่เปล่งแสงเพื่อตอบสนองต่อความต่างศักย์ที่นำไปใช้กับขั้วของพวกมัน จึงเป็นที่มาของชื่อไดโอดเปล่งแสง เช่นเดียวกับไฟ LED แบบไดโอดทั่วไปมีขั้วสองขั้วที่มีขั้ว ได้แก่ ขั้วบวกและขั้วลบ ในการส่องสว่าง LED จะมีความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับขั้วแอโนดและแคโทด

ปัจจุบัน LED ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตหลอดไฟ LED ที่ทันสมัยและมีความสว่างสูง สิ่งเหล่านี้ยังนิยมใช้สำหรับการผลิตไฟประดับ LED และไฟสัญญาณ LED

ประวัติโดยย่อ

แม้ว่าไฟ LED จะถือเป็นผลิตภัณฑ์ของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่มีเทคโนโลยีสูงในปัจจุบัน แต่คุณสมบัติการส่องสว่างของไฟ LED นั้นถูกระบุเมื่อหลายปีก่อน คนแรกที่สังเกตเห็นเอฟเฟกต์แสง LED คือหนึ่งในวิศวกรของ Marconi คือ H.J. Round ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในด้านสิ่งประดิษฐ์เกี่ยวกับหลอดสุญญากาศและวิทยุ เขาค้นพบสิ่งนี้ในปี 1907 ขณะทำการวิจัยกับ Marconi เกี่ยวกับเครื่องตรวจจับคริสตัลแบบสัมผัสจุด

ในปี 1907 นิตยสาร Electrical World เป็นคนแรกที่รายงานเกี่ยวกับความก้าวหน้าเหล่านี้ แนวคิด LED ยังคงนิ่งอยู่เป็นเวลาหลายปีจนกระทั่งถูกค้นพบใหม่ในปี 1922 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย O.V. โลซอฟ

Losov อาศัยอยู่ใน Leningrad ซึ่งเขาถูกสังหารอย่างน่าเศร้าในสงครามโลกครั้งที่ 2 เป็นไปได้ว่าการออกแบบส่วนใหญ่ของเขาหายไปในสงคราม แม้ว่าเขาจะยื่นจดสิทธิบัตรทั้งหมดสี่ฉบับระหว่างปี 2470 ถึง 2485 งานวิจัยของเขาไม่ได้รับการยอมรับจนกระทั่งหลังจากที่เขาเสียชีวิต

แนวคิด LED ปรากฏขึ้นอีกครั้งในปี 1951 เมื่อกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ภายใต้ K. Lehovec เริ่มตรวจสอบผลกระทบ การสืบสวนดำเนินไปโดยมีส่วนร่วมขององค์กรและนักวิจัยอื่นๆ รวมถึง W. Shockley (ผู้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์) ในที่สุด แนวคิด LED ได้รับการปรับปรุงอย่างมากและเริ่มจำหน่ายในช่วงปลายทศวรรษ 1960

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใดที่ใช้ในทางแยก LED

โดยพื้นฐานแล้วไดโอดเปล่งแสงเป็นจุดต่อ PN แบบพิเศษที่ทำโดยใช้สารกึ่งตัวนำแบบผสม

ซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด 2 ชนิด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงองค์ประกอบเท่านั้น จึงไม่สามารถผลิตไฟ LED ได้

ในทางกลับกัน วัสดุอย่างแกลเลียมอาร์เซไนด์ แกลเลียมฟอสไฟด์ และอินเดียมฟอสไฟด์ที่รวมองค์ประกอบตั้งแต่สององค์ประกอบขึ้นไปมักถูกนำมาใช้ในการผลิตไฟ LED ตัวอย่างเช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์มีความจุสามเท่าและสารหนูมีความจุห้า ดังนั้น ทั้งสองจึงจัดเป็นสารกึ่งตัวนำกลุ่ม III -V

วัสดุที่อยู่ในกลุ่ม III-V สามารถใช้เพื่อสร้างสารกึ่งตัวนำแบบผสมอื่นๆ ได้

เมื่อชุมทางเซมิคอนดักเตอร์มีความเอนเอียงไปข้างหน้า รูจากบริเวณประเภท P และอิเล็กตรอนจากบริเวณประเภท N จะเข้าสู่ทางแยกและรวมกันเช่นเดียวกับที่ทำในไดโอดปกติ

กระแสเคลื่อนผ่านทางแยกในลักษณะนี้

เป็นผลให้พลังงานถูกปล่อยออกมาซึ่งบางส่วนถูกปล่อยออกมาเช่นโฟตอน (แสง) เพื่อรับประกันว่าโครงสร้างจะดูดซับโฟตอน (แสง) น้อยที่สุด ด้าน P ของทางแยกซึ่งให้กำเนิดแสงส่วนใหญ่ในกรณีส่วนใหญ่ จะอยู่ในตำแหน่งที่ใกล้กับพื้นผิวของอุปกรณ์มากที่สุด

จำเป็นต้องมีจุดเชื่อมต่อเพื่อให้เหมาะสมที่สุด และต้องใช้วัสดุที่เหมาะสมเพื่อสร้างแสงที่มองเห็นได้ บริเวณอินฟราเรดของสเปกตรัมเป็นที่ที่แกลเลียมอาร์เซไนด์บริสุทธิ์ปล่อยพลังงานออกมา

LED ได้สีมาอย่างไร

อะลูมิเนียมถูกนำมาใช้กับเซมิคอนดักเตอร์เพื่อผลิตอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ ซึ่งจะเปลี่ยนไฟ LED ให้เป็นสีแดงสดของสเปกตรัม (AIGaAs)

แสงสีแดงสามารถผลิตได้โดยการเพิ่มฟอสฟอรัส

วัสดุต่างๆ ใช้สำหรับ LED สีอื่นๆ ตัวอย่างเช่น แกลเลียมฟอสไฟด์ปล่อยแสงสีเขียว ในขณะที่แสงสีเหลืองและสีส้มผลิตโดยอะลูมิเนียมอินเดียมแกลเลียมฟอสไฟด์ LED ส่วนใหญ่ทำจากแกลเลียมเซมิคอนดักเตอร์

ไฟ LED ผลิตขึ้นด้วยสองโครงสร้าง

ไดโอดเปล่งพื้นผิวและไดโอดเปล่งขอบซึ่งแสดงในรูปที่ 1 A และ B ตามลำดับ เป็นสถาปัตยกรรมหลักสองแบบที่ใช้สำหรับ LED ไดโอดเปล่งแสงพื้นผิวเป็นที่นิยมมากที่สุดเนื่องจากให้แสงในมุมที่กว้างกว่า

หลังจากการผลิต โครงสร้าง LED จะต้องถูกปิดล้อมในลักษณะที่สามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ทำให้ LED เสียหาย

ตัวบ่งชี้ LED ขนาดเล็กส่วนใหญ่ถูกห่อหุ้มด้วยกาวอีพ็อกซี่ที่มีดัชนีการหักเหของแสงซึ่งอยู่ระหว่างตำแหน่งระหว่างเซมิคอนดักเตอร์กับของอากาศโดยรอบ (ดูรูปที่ 2 ด้านล่าง) ดังนั้นไดโอดจึงได้รับการปกป้องอย่างสมบูรณ์ และแสงจะถูกถ่ายโอนไปยังโลกภายนอกในลักษณะที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

LED Forward Voltage (VF) ข้อมูลจำเพาะ

เนื่องจาก LED เป็นอุปกรณ์ที่มีความอ่อนไหวต่อกระแสไฟ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะต้องไม่เกินข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าขั้นต่ำของ LED ข้อมูลจำเพาะเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของ LED (VF) เป็นเพียงระดับแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งสามารถใช้เพื่อให้แสงสว่าง LED ได้อย่างปลอดภัยและสว่าง หากกระแสไฟเกินข้อกำหนดแรงดันไปข้างหน้าของ LED ไฟ LED จะไหม้และเสียหายอย่างถาวร

ในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายสูงกว่าแรงดันไฟไปข้างหน้าของ LED ตัวต้านทานที่คำนวณได้จะใช้เป็นอนุกรมกับแหล่งจ่ายเพื่อจำกัดกระแสให้เหลือ LED สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่า LED สามารถส่องสว่างได้อย่างปลอดภัยด้วยความสว่างที่เหมาะสมที่สุด

ค่าแรงดันไฟไปข้างหน้าของ LED ส่วนใหญ่ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 3.3 V ไม่ว่าจะเป็นไฟ LED สีแดง สีเขียว หรือสีเหลือง โดยทั่วไปแล้วจะสามารถส่องสว่างได้โดยใช้ 3.3 V ผ่านขั้วแอโนดและขั้วแคโทด

แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับ LED ต้องเป็น DC สามารถใช้ไฟ AC ได้ แต่ LED ควรมีไดโอดเรียงกระแสเชื่อมต่ออยู่ด้วย เพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนขั้วของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับไม่ก่อให้เกิดอันตรายใดๆ กับ LED

จำกัดกระแส

LED ก็เหมือนกับไดโอดทั่วไป ไม่มีการจำกัดกระแสโดยธรรมชาติ เป็นผลให้หากเชื่อมต่อโดยตรงกับแบตเตอรี่ก็จะถูกเผาไหม้

หากกระแสตรงของแหล่งจ่ายอยู่ที่ประมาณ 3.3 V ดังนั้น LED จะไม่ต้องการตัวต้านทานแบบจำกัด อย่างไรก็ตาม หากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายสูงกว่า 3.3 V จะต้องใช้ตัวต้านทานแบบอนุกรมพร้อมขั้ว LED

ตัวต้านทานสามารถเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับขั้วแอโนดของ LED หรือกับขั้วแคโทดของ LED

เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย ต้องต่อตัวต้านทานเข้ากับวงจรเพื่อควบคุมกระแสไฟ ไฟ LED แสดงสถานะปกติมีข้อกำหนดกระแสไฟสูงสุดประมาณ 20 mA; หากกระแสไฟถูกจำกัดต่ำกว่านี้ เอาต์พุตแสงของ LED จะลดตามสัดส่วน

ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 3 ด้านบน อาจต้องพิจารณาแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้ง LED ในขณะที่ประเมินปริมาณกระแสไฟที่ใช้ไป เพราะหากแรงดันไฟเพิ่มขึ้น ปริมาณการใช้กระแสไฟก็จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเช่นกัน

สูตรคำนวณตัวต้านทานจำกัดมีดังต่อไปนี้:

R = V - LED FWD V / กระแสไฟ LED