UNIVERZITET U ISTONOM SARAJEVU SAOBRAAJNI FAKULTET DOBOJ LED SVJETLEE DIODE DIPLOMSKI RAD KANDIDAT: Boko Vasi MENTOR: Dr Ferid Softi BROJ INDEKSA:10/06 DOBOJ, 2009.godine Vasid BokoSADRAJDiplomski rad 1. UVOD 2. SVJETLODNE DIODE LED 3. TA JE LED? 4. ELEKTRINA SVOJSTVA LED 5. OPTIKA SVOJSTVA LED 6. LED DIODA U KOLU 7. FIZIKI ASPEKTI 8. LED SA TRI BOJE 9. TABELA SA SPECIFIKACIJAMA ZA LED 10. VRSTE LED 11. LED KUITA 12. PREDNOSTI UPOTREBE LED 13. NEDOSTACI UPOTREBE LED 14. PRIMJENA LED 15. BUDUNOST LED OLED 16. ZAKLJUAK 17. LITERATURA Dabismolakerazumjelidatutemunapoetkuemoobjasnitineke elektroniketermineiprocesebitnezashvatanjepostavljenetemeinjene sutine.Elektrotehnikimaterijalipremaelektrinimosobinamapodjeljeni su u tri kategorije:provodnici,poluprovodnici iizolatori. Akosadaspojimomaterijalepintipadobiemop-nspoj.Izmeupin poluprovodnikasaobjestranemetalurkegranicenalaziseprelazno podruje koje se naziva sloj prostornog naboja ili potencijalna barijera. U okolini metalurkog prelaza uspostavlja se potencijalna barijera ije se elektrinopoljesuprostavljaprotokunosilacaelektriciteta.Topoljese naziva energetski procjep. Sadraj Elektronika1. UVOD LED Svjetlede diode Poluprovodnici kod kojih se dno provodne zone i vrh valentne zone javljaju za isti talasni vektor k zovu se direktni poluprovodnici. Poluprovodnicikodkojihsudnoprovodnezoneivrhvalentnezonena razliitim talasnim vektorima zovu se indirektni poluprovodnici. Uprocesudirektnerekombinacijeimpulselektronasenemijenjai energija elektrona moe biti opisana kao energija fotona.E hv =Postojepoluprovodnicisamnogokomplikovanijim oblikomE-kzavisnosti.Najprostijiprimerjesilicijum, iji je E-k dijagram predstavljen na sl.b. Rekombinacijauindirektnimpoluprovodnicima tipino se odvija preko energetskih nivoa centarau dva koraka:elektronrazmenjuje impuls sadrugomesticomda bisadnaprovodnezonedospeodoenergetskog nivoa,nakomemujeimpulsjednaknuli,dok energija ostaje nepromenjena ielektronoslobadjadeoenergije,predajusvoju energijufononimaaneemitujujekaosvetlost.Toje usutinirazlogzbogkogaseindirektni poluprovodnici ne koriste za izradu LED dioda. Sadraj Vasid Boko Direktni i indirektni poluprovodnici Diplomski rad LED(Light-EmittingDiode)svjetlosnadiodajeelektronskiizvor svjetlosti. LED je pronaena u Rusiji 1920 god. i predstavljena u Americi kao praktina elektronska komponenta 1962 god. Svi raniji ureaji emitiovali su svjetlost niskog intenziteta crvene boje, ali danassunaraspolaganjumoderneLEDkojeemitujusvjetlost,vidljive, ultraljubiaste i infra-crvene, vrlo visokog stepena osvjetljenja. LED su zasnovane na poluprovodnikim diodama. Kada je dioda propusno polarisana, elektroni se mogu rekombinovati saupljinamaioslobaaseenergijauvidusvjetla.Ovaj efekatsenazivaelektroluminiscencijaibojusvjetlosti odreuje energetski procjep upotrebljenog poluprovodnika. PrvekomercijalneLEDkoristilesusekaozamjenazaindikatoresa uarenomniti,teusedam-segmentnomdispleju,poprviputuskupu opremupoputlaboratorijsketestneopremeielektroniku.Kakoje tehnologija LED materijala postala naprednija, i jaina svjetlosti je poveana. PronalazakirazvojvisokesnagebijelesvjetlostiLEDiskoritenjeza osvjetljenje. Sadraj Elektronika2. SVJETLOSNE DIODE - LEDLED Svjetlede diode Kaoiobinadioda,LEDdiodasesastojiodpoluprovodikihmaterijala dopiranihsaprimjesamaijijeciljstvoritip-nspoj.IkodLEDdioda,struja teeodp-tipa(anoda)preman-tipu(katoda),poluprovodnika.Kada elektronpopunjavaupljinu,onmjenjasvojenergetskinivo,ipritome oslobaa energiju, a oslobaena energija se javlja u formi jednog fotona. Talasnaduinaemitovanesvjetlostiinjeneboje,zavise odveliineenergetskogprocjepaupotrijebljenih poluprovodnikihmaterijalazaformiranjep-nspojakod LEDdioda.Silicijumskeiligermanijumskediode, razmjenjujuenergijuizmeunosilacanaelektrisanjabez optikeemisije,jertimaterijalispadajuuindirektne poluprovodnike.MaterijalikojisekoristezaLEDmoraju imatidirektnurekombinacijuparovaelektron-upljina,tj. moraju se koristiti direktni poluprovodnici. RazvojLEDdiodajepoeosainfracrvenomicrvenim svjetlouupotrebomgalijum-arsenija.Napredakuznanosti o materijalima omoguili su proizvodnju LED-a sa sve kraim talasnim duinama, i emisiju svjetlosti u razliitim bojama. Sadraj Vasid Boko3. TA JE LED? Diplomski rad Najjednostavnijistrujnikrugsastojiseodistosmjernogizvoras naponomVs,otporaRiLEDdiode.Strujukrugai=IDodreujuorijentacija elemenatakrugaiiznosinjihovihparametara.Parvrijednosti(VD,ID)je ujedno taka karakteristike diode i naziva se radna taka. Strujno naponska karakteristika diode sa p-n spojomprvenstveno je opisana Shockley-evom relacijom koja jeopisivala I-V krivulju. ZauslovedirektnopolarisaneLEDstrujakadajeShockley-eva jednaina moe se napisati: ( ) /De V V kTnA Dp nD DpI eA N N et t| |= +| |\ .( )2 2/1eV kT i n ip D n An D n DpI eA eN N t t| |= + | |\ .tVn VsI I e| | |\ .= Akoje,napropusno polarisanoj LED, vrijedi uproena relacija:s fV V RI = + Sadraj Elektronika 4. ELEKTRINA SVOJSTVA LED LED Svjetlede diode V kTPomouprogramskogpaketaMatlabdaemoizgledstrujno-naponske karakteristikezaGaPcrvenuLEDdioduijijenaponpraga1.6Vimax. dozvoljenastruja50mAkaoiemisionikoeficijentn=0.37uzpretpostavku da se radi o temperaturi od .27 CRealnastrujno-naponskakarakteristika pomenuteLEDjeprikazana na slici desno, dok je strujno-naponskakarakteristika iste,dobijenapomou matlaba prikazana ispod. Sadraj Vasid BokoPrimjer strujno-naponske karakteristike pomodu MatlabaDiplomski rad Sadraj Intenzitet emisije kod LED opada sa porastom temperature. Razlog ovoga jeuticajvietemperaturnozavisnihfaktoraukljuujuineemisionu rekombinaciju,povrinskurekombinacijuigubitaknosilacau heterostrukturnimbarijerama.Nasobnojtemperaturi,temperaturniuticaj na intenzitet emisije esto je opisan relacijom: MoeseprimjetitidaLEDimajuizrazituticajtemperaturenaintenzitet emisije. 3001300expKT KI IT= ElektronikaUticaj temperature na intenzitet emisije LED Svjetlede diode U tablici su prikazani Varshni-jevi parametri za ee koritene materijale. Sadraj Relacija iniosnovu temperaturnezavisnosti od direktnognapona.Prvi,drugiitreidiorelacijeinetemperaturne zavisnostiodkoncentracijenosilaca,energetskogprocjepaistanja efikasnosti gustine redom. Uticajtemperaturenaveliinuenergetskogprocjepamoemoizrazitiiz Varshni-jeve formule: a to je direktno i uticaj temperature na napon praga.1 3f f g gdV eV E dEkdT eT edT e= + ( )20g gTE E KTo|= +su podeeni parametri i obino se nazivaju Varshnijevi parametri. Vasid BokoUticaj temperature na napon pragaDiplomski rad i o |Izraunajmo energetski procjep kod GaAs na temperaturi od 300K preko Varshijeve relacije. Za GaAs imamo sledee parametre: | |45.41 10 / eV K o= | |204K | =( ) | |0 1.519gE K eV =Iz imamo: to vidimo da je tano sa dijagrama. ( )20g gTE E KTo|= +4 25.41 10 3001.519 1.424300 204gE eV = =+Sadraj Elektronika Primjer uticaja temperature na veliinu energetskog procjepa LED Svjetlede diode Sadraj Stepen spoljanje efikasnosti dat je relacijom. Efikasnost snage je definasana sa: Izlazni fluks fotona emitovanog sa aktivnog sloja dat je sa:A stvarna izlazna optika snaga LED izraena u Watt-ima dobija se iz:Unutranja koliinska efikasnost data je relacijom:Efikasnost emitovanja svjetlosti data je sa:( )intint//P hbroj emitovanihfotona po sekundibroj injektovanih elektrona po sekundi I evq = =( )( )int//extractionP hbroj fotona emitovanih u prostorpo sekundibroj fotona osloboenih sa aktivnog sloja po sekundi P hvqv= =( )int//ext extractionP hbroj fotona emitovanih u prostorpo sekundibroj injektovanih elektrona po sekundi I evq q q = = = powerPI Vq =0 extieq u = 0 0 extiP h hev q v = u = Vasid Boko5. OPTIKA SVOJSTVA LEDDiplomski rad i energija fotona je jednaka. Odavde imamo da nam je unutranja efikasnost: ,saunutranjom otpornou odSadraj / 2.0th gV E e V = =20sR = Oth sV V I R = + Razmotrimo LED sa naponom praga od, tako da je strujno-naponska karakteristika data sa .Kadaradinastrujiod20mAemitujesnaguod4mW.Odrediti unutranjuefikasnost,spoljanjuefikasnostiefikasnostsnage,akoje koeficijent emitovanja 50%. Napon napajanja dat je sa: 2 0.0220 2 0.4 2.4th sV V I R V = + = + = + =Snaga prikljuena na LED je:0.022.4 48 P I V mW = = =Odavde ve imamo da je efikasnost snage:48.3%48powerP mWI V mWq = = =Iz, imamo da je/th gV E e =19 192 1.6022 10 3.2 10g thE V e eV = = = . A poto je gE hv ~( )19 16intint 19 17/0.004/ 3.2 10 1.25 100.1/ 0.02/1.6022 10 1.25 10P hI evq = = = = Spoljanja efikasnost odavde je:int0.1 0.5 5%ext extractionq q q = = =Elektronika Analiza optikih parametara LEDLED Svjetlede diode Sadraj LEDdiodesuspecifinodizajniraneiizraenediodekojeemituju svetlost kada rade u reimu direktne polarizacije. Sl.a prikazuje strujno kolo saLEDdiodom,asl.bstrujno-naponskukarakteristikusaradnomtakom. Intenzitet svetlosti je direktno proporcionalan struji koja tee kroz diodu: . Ako je Vin>>Vdo intenzitet svjetlosti je direktno proprcionalan proporcionalan ulaznom naponu Vin. IN DODOv VIR=DabiLEDradila,moramodajepropusno polariemo.Toinijenekiproblemakoznamo koja je prikljuna noica anoda a koja katoda. Po praviluraspoznavanjakatodajeuvijekkraa noica,alipostojijojedan(nezvanian)nain ukoliko je tijelo LED providno, moemo primjetiti da elektroda katode zauzima veu povrinu. Vasid Boko6. LEDDIODA U KOLU Diplomski rad Sledeiprimjerisuidentinikaoiprethodnistomrazlikomdase uvrtavajunaponipragazaonajtipLEDzakojielimodaproraunamo otpornost,iliakosekoristerazliiteLEDondazasvakuodnjih. Posmatraemo primjer 6. gdje imamo dvije crvene i jednu plavu LED. Odavde emo imati da je: SadrajSadraj Ako recimo posmatramo primjere sa sledee slike dobiemo jasniju sliku otomekakodasigurnopustimouradbilokojuvrstuLEDilivienjih koristei razliite napone napajanja. Primjer1.StrujakrozLEDse rauna:,odavde je lako nai otpornost: IN DODOv VIR=IN DODOv VRI=Za na sluaj imamo:12 1.65200.02R= = O12 1.6 1.6 3.52650.02R = = OSpajanjemvieLEDuparalelimoguejedaesamo raditionasanajniimnaponompraga,aliipostojivelika mogunostdapregorizatotoekroznjuproteiinajvea struja. Elektronika Spajanje LED serijski i paralelno LED Svjetlede diode Sadraj LED je specijalan tip poluprovodnike diode koja je sastavljena iz sledeih komponenti:LED ipa sa dopiranim primjesama u strukturi p-n spojakatode i anode reflektora Usvjetleojdiodidolazido katodneluminiscencijeelektonaili grupeelekronakojeusmjerenim kretanjemupravcuelektroda razliitihnapona,prelazesaviegna niienergetskinivoipritomemituju svjetlosnetalase.Talasnaduinaemitovanesvjetlosti,asamimtimi boja svjetlosti zavisi od prirode grupa elekronaformiranogp-nspoja.Tosu izvorisvjetlaizgraeniodp-nipa prekrivenogemisionimslojemod legurametalaIIIaiVagrupe periodnog sistema: Al, Ga, As, P, N, In. Vasid Boko 7. FIZIKI ASPEKTI Diplomski rad Kakosemjenjatemperaturatakosemjenjaiveliinazabranjenezone, to je temperatura vea to je zabranjena zona manja. Ovo direktno znai i da e i napon praga biti manji. Na ovaj nain talasna duina svjetlosti e se neto poveati, tipino oko 0.1 do0.2 , zavisno od upotrebljene LED. AkorecimozagrijemozelenuLEDvidjeemodasesvjetlostmijenjapreko ute pa ak do narandaste. Sadraj / nm C / nm CKadaseradioeksponencijalnojzavisnostistrujeod naponatekodasanekimizvorommoemoodravati strujukrozLEDnastabilnojvrijednosti.Tosepostie ubacivanjem otpornika u seriju sa LED. Pokazatemoproraunvrijednostiotpornikaukolu kako bi LED ispravno funkcionisala. Adrese prikazanih programa su:http://home.cogeco.ca/~rpaisley4/LEDcalc.html http://www.ledtuning.nl/index_site.php?Name=calculator_EN ElektronikaUticaj temperature i ogranienje struje LED Svjetlede diode Sadraj NajpopularnijioblikLEDsatribojejekombinacijacrvenei zelene boje. Zovu se trobojne LED jer se kombinacijom crvene i zelene bojedobijatreaboja,uta.Svakodnevnosmoizloenitehnikim informacijama,iestoseujerijeRGB.Tojeustvariskraenicaod eng.RED-GREEN-BLUE.Tetriosnovnebojesvakodnevnookonas kreiraju na ivot i dominiraju tehnologijom oko nas. 8. LED SA TRI BOJE Vasid Boko 9. TABELA SA SPECIFIKACIJAMA ZA LED Diplomski rad Osnovna karakteristika svjetlosti koju emituje LED je to da ona iskljuivo emitujefrekvencijusvjetlosnogspektrazakojujenapravljena.TakoLED kojakojajecrveneboje,emitujesvjetlostsfrekvencijomodoko650nm. Sadasepostavljapitanje,toemoscrvenom,zelenomiliplavombojom? Ovdje nastupa novi proces, a to je RGB tehnologija.

Sadraj LED (High brightness) LED (High Power) LED minijaturne (SMD) Elektronika10. VRSTE LED LED Svjetlede diode Sadraj SveLEDsepakujuukuitakojaimjudvostrukunamjenu,obezbjeuju efikasnije emitovanje svjetlosti sa ipa, tj. slui kao optika i ujedno slue kao hladnjacizatermikorasipanjetoplote.Materijalkojimseoblaeip podrazumjevaoptikuprovidnost,velikindeksloma,visokutemperaturnu stabilnostihermetinost.Visokindekslomapoboljavaefikasnost svjetlosne emisije sa ipa LED. Plastina kuita obino imaju indeks loma od 1.5 do 1.8. Naprednijakuitadanasnudevisoke indekse loma i na sledeem dijagramu prikazanajezavisnostefikasnosti svjetlosneemisijeodvrijednostiindeksa loma. 2 n >Vasid Boko11. LED KUITA Diplomski rad Sadraj PREDNOSTI: Emituju svjetlost u eljenoj boji Ne zahtevaju ugradnju spoljanjeg reflektora Ekstremno vrsto upakovane Ekstremno velika trajnost: tipino10 godina ili100000 radnih sati LED je vodootporna i nije osjetljivana hladnou Potronja Zraenje Napajanje Dimenzije NEDOSTACI: LED tehnologija je mnogoskuplja Radne karakteristike veomazavise od temperature okoline Mehanizam degradacije aktivnihdijelova galijum i arsenidi izuzetno sutoksini 12. PREDNOSTI UPOTREBE LED Elektronika 13. NEDOSTACI UPOTREBE LEDLED Svjetlede diode Sadraj Jakoubrzanrazvojovetehnologijekojijeprimjetanizdanaudan, djelujenasvakisegmentokonas.Odznakovaobavjetavanjaiopasnostina cestama, semafora, svjetlima na vozilima, osvjetljavanja u dekorativne svrhe, umedicini,optikimkomunikacijama,padoulinerasvjeteirasvjeteu stambenim i poslovnim prostorima.LED kao predajnici optikih signala SobziromdafizikiprincipradaLEDve poznajemo,pomenuemoosobinekojesuvaneza primjenuuoptikimkomunikacijama.IakojeLED izvornekoherentnesvjetlostionaimasledee prednosti u odnosu na lasersku diodu.nia cijena linearnijiodnosizmeusnagezraenjaistruje koja protie kroz diodu manjiuticajtemperaturnihpromjena(pri promjenitemperaturesa300Kna400Ksnaga zraenjasmanjujese1.5putadokjekodlaserske diode ta promjena 3 puta). Vasid Boko 14. PRIMJENA LEDDiplomski rad Sadraj Zarazlikuodklasinihsijalica,LEDrasvjetnatijelaelektrinuenergiju pretvarajudirektnousvjetlostodreenetalasneduineuzzanemarljivo zagrijavanje.RadninaponLEDdiodeje2do6Vuzstrujuod20-30mA,to znaidaimjepotronjaelektrineenergijemanjaod0,1W.Ledrasvjeta otvaramogunostkreativnogdizajnazainovativnasvjetlosnarjeenja zahvaljujui varijaciji dostupnih boja LED trake LED moduli LED tubeRasvjeta velike snage (High power) ElektronikaLED rasvjeta LED Svjetlede diode Multimedijalni LED ekrani Vasid BokoLED u automobilskoj industriji Diplomski radLED u medicini Sadraj MultimedijalniLEDekranjesastavljenod svjetlosnihtaakakojesupovezaneumodule.Mogubitiveegformataiposebnosupogodniza prikazivanjeanimacijaivideomaterijala.UpravljanjesevriprekoPC-ja,dodaljineod100 m.Upotrebljavajusekakouotvorenim,takoiu zatvorenim prostorima. Uautomobilskojindustrijiporeddnevnih svjetala,LEDsekoristesvevieikaopoziciona zadnjasvjetla,zasignalizaciju,osvjetljenje unutranjosti,tj.usegmentimagdjejerealizacija sa LED mogua. UmediciniseLEDtehnologijapoelakoristitiza pomlaivanje.Principradatehnologijezasnivasena primjeni svjetla raznih talasnih duina koja imaju brojne uinke na kou uslijed upijanja u tkivo. Pored ovoga LED sijalice,savelikomsnagomisvojimmalimdimenzijama uspjenoseintegriuiumedicinskenaoale,kaoiu hirurkimsalamagdjejeneophodnoobezbjeditidobru vidljivost. Sadraj Elektronika15. BUDUNOST LED - OLEDLED Svjetlede diode IakojeLEDtehnologijaujakomusponu,danasse vepoinjuproizvoditisvjetlosniizvoribaziranina organskimjedinjenjima.Principradaovihureajaje jakosliankaoikodLED,srazlikomdaseumjesto poluprovodnika koriste organska jedinjenja pa se tako i ovatehnologijanazivaOLED(OrganicLight-Emitting Diodes).OLEDekranisutanji,tedljivijiupogledupotronje energijeijeftinijiodpostojeihLCDiliplazmaekrana. Organskimaterijaliobeavajudobrekarakteristikekao tosuirokspektarradnihtemperatura,fleksibilnosti dobruprovodljivost.KompanijaSonyjeveizdala37 inniHDTVkojikoristiOLEDtehnologiju,ali najinteresantnijejedaonnudiodnoskontrastaod 1000000:1,tojeznatnovieodLCD,LEDiliplazma tehnologijeidebljinejesamo3mm.Jedinamana, tehnologijekojajetakoreijouvijekprototip,jeivotni vijek organskih molekula koji je oko 14000h, dok se kod drugih tehnologija on kree od 60000-100000h. Sadraj Vasid Boko 16. ZAKLJUAK Diplomski rad Kao i sa svakim znaajnim otkriem na polju elektronike, tako je i sa LED diodamatekodasemoglopretpostavitikolikuprimjenueovesvjetlee stvariceimati.Danas,medutim,LEDtehnologijaimaznaajnuupotrebu, koja bitno mijenja neke poglede na svijet elektronike. Poelojesamosajednombojomcrvenom,samogunocudase prikauuglavnomtekstiogranieneanimacijedomaksimalnotriboje. Meutim, pronalaskom plave LED omogueno je uvodenje RGB signala. Dobijanjepravovremenihinformacijajeneminovnodovelodoupotrebe ovetehnologijeusferiprenoenjainformacija.Preciznije-imjeshvaeno kolikosuLEDdiodekvalitetnijeiintenzivnijegosvjetljenja,trajnijeod standardnihsvjetleihtjela,jeftinije,kolikosenjimalakoupravlja,paak,i dajemoguepovezatiihusisteme,timsistemimaupravljati,itokao jedinicama, blokovima ili grupama blokova. Ovaneprikosnovenatehnologijajejedanonajznaajnijihotkriakoje nas sve ee okruuje i na naim prostorima a da toga nismo ni svjesni.Sadraj Elektronika 17. LITERATURA LED Svjetlede diode 1)Softi F. Elektrotehniki materijali i komponente, ETF Banjaluka, 2005 2)Milatovi D. Optoelektronika, OOUR Zavod za udbenike i nastavna sredstava, Sarajevo, 1987 3)Opai R. Elektronika I, Zavod za udbenike i nastavna sredstva, Beograd, 2002 4) Schubert E.F. Light-Emitting Diodes, Rensselaer Polytechnic Institute, New York, 2006 5) Malvin C.T. Fundamentals of Photonics, Department of Electrical Engineering, New York, 1991 6) DavidN.Liu.IntroductiontoFlatPanelDisplays,IndustrialTechnologyResearchInstitute, Taywan, 2008 7) http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode 8) http://www.poliderma.hr/tehnologije/led_tehnologija 9) http://www.prggin.hr/led/ 10) http://www.ledtuning.nl/index_site.php?Name=ledtechnical_EN 11) http://fancy.hr 12) http://www.kpsec.freeuk.com/components/led.htm