Index / Tomas / Light Emiting Diodes

LYSDIODEN - FUNKTION, ANVÄNDNING OCH HISTORIA

Av Tomas Eriksson 

Denna Web-sida är en del av en inlämningsuppgift som ingår i kursen 2E1111 
"Teknikinformation med elektriska mätningar", bedriven på KTH vårterminen 1998.
Web-sidan uppdaterades senast 98-05-11


   INNEHÅLL


    VAD ÄR EN LYSDIOD ?

  • En lysdiod är en ljuskälla som omvandlar elektrisk energi till ljus (figur.1), den består av en halvledardiod som sänder ut synligt eller osynligt ljus, när en elektrisk ström flyter i dess framriktning (figur.2).

    Figur 1

      

    Figur 2

     


    VARFÖR LYSER LYSDIODER ?

  • Det ljusalstrande elementet i en lysdiod består av en bit halvledarmaterial som behandlats (dopats) så att det uppstått ett P-område med underskott av elektroner (hål), och ett N-område med överskott av elektroner. Mellan dessa områden bildas naturligt en barriär som hindrar elektroner att av sig själva flytta sig från N till P-området. Om en yttre spänning läggs på mellan N och P-områdena, får elektronerna i N-området den extra energi som behövs för att de skall kunna passera barriären och nå P-området. När en elektron passerar barriären och "faller ner i ett hål" i P-området (rekombineras), så avger den energi i form av en foton. Energin som avges är skillnaden mellan den lägesenergi elektronen hade i N-området, och den mindre lägesenergin den får i P-området. Alla fotoner som sänds ut av lysdioden har samma energi, och därmed samma våglängd. Lysdiodens ljus har alltså ett mycket smalt ljusspektrum (figur.3).
  • Figur 3


    LYSDIODENS MEKANISKA UPPBYGGNAD

  • En lysdiod består något förenklat av en bricka av halvledarmaterial som fästs mot ett av anslutningsbenen. Den andra sidan av halvledar-brickan ansluts med en s.k. bond-tråd till det andra anslutningsbenet. Allt inkapslas i epoxi. Epoxihöljet kan ges funktionen av en lins som ger ljusstrålen från lysdioden önskad spridningsvinkel. Ibland utformas den del av anslutningsbenet som halvledarbrickan är fäst mot som en reflektor för att öka den utstrålade ljusmängden (figur.4).
  • Figur 4


    TILLVERKNING AV LYSDIODER 

  • Världsproduktionen av lysdioder överstiger 20 billioner lysdioder / år (enl. Encyclopaedia Britanica), några av de stora tillverkarna är t.ex. Siemens Hewlet Packard och Toshiba.
  • Praktiskt går tillverkningen till så att halvledarbrickorna odlas fram på runda plattor s.k. wafers, som var och en innehåller tusentals blivande lysdioder. Dessa wafers skärs sedan upp i lagom små bitar. Anslutningsben till en mängd lysdioder tillverkas genom att man stansar ut dom ur en lång tunn plåt. Man låter ena änden av varje ben hänga ihop med plåten genom hela tillverkningsprocessen, och klipper inte loss dem förrän halvledarbrickan och bondtråden lödits fast, epoxihöljet är på plats, och hela lysdioden är klar.


    VARFÖR ÄR LYSDIODER BÄTTTRE ÄN ANDRA LJUSKÄLLOR

  • Lysdioder är mer långlivade, drar mindre energi, är lättare att driva och främst av allt, de går att modulera (tända och släcka) oerhört mycket snabbare än andra elektriska ljuskällor, som t.ex. glödtråddslampor och neonlampor.
  • Man kan utnyttja snabbheten t.ex.. genom att låta en lysdiod blinka snabbare än vad ögat kan uppfatta, och genom att ändra förhållandet mellan den tid den är tänd och den tid den är släckt, reglera dess ljusstyrka.
  • Snabbheten innebär också att en lysdiod kan fungera som en optisk sändare, som kan sända data i form av ljus-pulser genom luften eller en optisk fiber. Den dataöverföringshastighet som kan uppnås räcker t.ex.. för att överföra en videosignal mellan en videokamera och en TV-mottagare.
  • Dataöverföring via ljus vore praktiskt omöjligt att göra utan lysdioder, så det är en helt ny tillämpning som skapats tack vare att denna komponent utvecklats.


    LYSDIODENS HISTORIA OCH ANVÄNDNING

  • Under 1960-talet började utvecklingen av kommersiellt användbara lysdioder. De tillverkades av en kombination av Gallium, Arsenik och Fosfor, och hade till en början en mycket låg ljusstyrka. Ljusets färg låg i det röda området av ljusspektrum. Lysdioder användes mest som indikeringslampor, och ersatte därmed glödtrådslampor som har sämre livslängd.
Figur 5   
  • Under 1970-talet lärde man sig att tillverka lysdioder som gav ifrån sig ljus av andra färger, orange, gula och gröna typer dyker upp. Lysdioder börjar användas som teckendisplayer (figur.7) i t.ex. miniräknare, digitalklockor och mätutrustningar. Äldre teckendisplayer av typen nixie-rör (figur.6), vilka är elektronrör med glödtrådar som formats till tecken, försvinner.
Figur 6           Figur 7  
  • Under 1980-talet utvecklades ett nytt material (Gallium Aluminium Arsenid) som kan användas vid lysdiodtillverkningen. Lysdioderna kunde nu göras mer än 10 gånger ljusstarkare, och produkter som informationstavlor (figur.8) och skyltar för utomhusbruk börjar förekomma. Glödtråds och neon-lampor ersätts till en del. Lysdioder konstruerades också in i t.ex. streckkodsläsare, och som sändare i optiska fiber länkar och i medicinsk utrustning.
Figur 8   
  • Under sent 1980-tal utvecklas strukturen i lysdioderna, och teknik som används vid tillverkning av laserdioder appliceras nu på lysdioder. Fler nya material utvecklas, främst Indium Gallium Aluminium Fosfid. Blåa (kommersiellt användbara) lysdioder tillverkas för första gången, av material som Gallium Nitrid och Kisel Karbid. Lysdioder används i stor skala i t.ex. resultattavlor på idrotsplatser som nu kan visa videobilder i färg (figur.9), och trafikljus, bilars bakljus och bromsljus, tillämpningar där förut neon och glödtrådslampor varit enda alternativet.
Figur 9   
Figur 10  Figur 12   
Figur 11     


    FINNS DET ALTERNATIV TILL LYSDIODER ?

  • Glödtrådslampor, Neonlampor och Lysrör
    • Dessa lampor ger mycket högre ljusstyrka än lysdioder, och där detta är viktigt kan lysdioder för närvarande inte konkurrera.
  • LCD-displayer
    • Denna typ av display är strömsnålare än en lysdiod-display, och fördelaktig att använda i batteridrivna apparater.
  • Mekaniska informationstavlor
    • Informationstavlor uppbyggda med mekaniska display-element drar syns bättre i starkt omgivningsljus, och drar mindre energi än sådana som byggts med lysdioder.


    ATT KONSTRUERA MED LYSDIODER - PARAMETRAR OCH KURIOSA.

  • De viktigaste optiska parametrarna för lysdioder
    • Ljusstyrka
      • anges vid en viss arbetsström, och enheten är vanligen mcd (millicandela).
    • Ljusets färg
      • anges som en våglängd i enheten nm (nanometer).
    • Ljusets spridning
      • anges som en vinkel (grader).
  • De viktigaste elektriska parametrarna för lysdioder
    • Framspänning
      • Lysdioder har en framspänning på ca: 2V, den varierar beroende på tillverkningsmaterial och färg.
    • Arbetsström
      • De har en arbetsström från någon mA till hundratals mA beroende på typ.
  • Största skillnaderna mot att konstruera med glödtrådslampor
    • Strömbegränsning
      • Eftersom lysdioden i grunden är en diod, så kan den inte anslutas direkt till en spänningskälla. Någon form av strömbegränsning måste användas för att bestämma lysdiodens arbetsström. Enklast är att seriekoppla ett motstånd med lysdioden (figur.13).
      • Figur 13.

    • Strömgenerering (mest som kuriosa)
      • Lysdioden fungerar faktiskt även "baklänges", dvs. som en fotodiod eller ljusdetektor. Om den belyses så genererar den en svag ström. Om lysdioder byggs in på olämpligt sätt i känsliga kretsar, kan de genererade strömmarna orsaka till synes oförklarliga störningar i dessa kretsar (vilket artikelförfattaren kan intyga...), (figur.14).
      • Figur 14


    LYSDIODENS FRAMTID


    LÄNKAR TILL MER INFORMATION