LED (lysdioder)

Opbygning

kl-60-30-10-silla-herbst-radial-diode-high.jpg

Opbygning af radiel-LED.
Figur: Silla herbst.zoom

Mens det lysende element i forskellige typer LED'er ofte er ens, kan indpakningen være forskellig.

Selve chippen i en radial LED fylder ca. 0,3 x 0,3 x 0,3 mm. Den ene ende af chippen er monteret på et ledende underlag, mens den anden ende er påsat en ganske tynd strømleder kaldet "bond wire". Hele konstruktionen er indstøbt i epoxy med en afrundet top, der fungerer som en linse, hvilket er årsagen til, at lyset udsendes med en smal udstrålingsvinkel. Laget af epoxy oven på chippen fordobler næsten mængden af det udsendte lys i forhold til det producerede lys, fordi det hindrer en stor del af lyset i at blive reflekteret tilbage i chippen. Epoxyen gulner desværre efter nogle år og  lysmængden og farven af det udsendte lys vil derfor ændre sig henover levetiden.

Opbygning af SMD LED
Chippen i en effekt-LED (kraftigt lysende LED) af SMD typen er ofte 1 mm2 stor. Til hvide LED'er benyttes en chip, der lyser kraftigt blåt. I nyere udgaver af blå chips (thin film flip chip - TFFC type) forsynes chippen med strøm uden brug af en bond wire. Det giver en mere kompakt og solid konstruktion og øger lysudsendelsen, fordi lyset derved ikke afskærmes.

 

kl-60-30-20-dcl-ledlab2-rebel-led-high.jpg

Opbygning af SMD-LED.

 

Mikrometertynde krystallag
På chippen påføres et fosforescerende konverteringslag, som bevirker, at det udsendte blå lys bliver hvidt. Det fosforescerende lag er tyndt, i det viste tilfælde 1/10 mm.  Ændringer i tykkelsen på blot en 1/1000 mm kan ændre farvetemperaturen. SMD-LED'ens keramiske underlag er både elektrisk isolerende og varmeledende. Chippens udformning og den halvkugleformede linse over den er afgørende for, hvor meget af det frembragte lys, der kan forlade LED'en. I dag (2016) er det i bedste fald ca. 70-80 % af det producerede lys i chippen, der udsendes fra LED'en.

Hjertet i en LED-komponent er selve chippen, som udsender lys. Den består af mikrometertynde lag af krystaller med nogenlunde ens afstand mellem atomerne i strukturen. Det kaldes en epitaxial struktur. Rødt lysende LED'er består af AlInGaP, der er frembragt oven på et underlag af GaAs. Blåt lysende LED'er består af InGaN på et underlag af enten safir eller SiC.

Fremstilling af en LED-chip
Fremstilling sker i laboratorier med meget høje krav til renhed og fravær af støv, idet et enkelt støvfnug vil være tilstrækkelig til at ødelægge produktionen. Derfor filtreres luften konstant gennem finmaskede filtre, og samtlige ansatte bærer tætsluttende heldragter.

Ved fremstilling af LED-chips pådampes tynde krystallag en tynd skive (en 'wafer', som typisk er 100 eller 200 mm i diameter) bestående af enten galliumarsenid (GaAs), hvis LED'en skal lyse blåt eller siliciumcarbid, hvis andre farver ønskes. Denne proces benævnes epitaxi og foregår ved en temperatur på ca. 1.000 oC.

Krystallagenes opbygning er bestemmende for lysets spektralfordeling og mængde. Størrelsen af de enkelte krystaller i lagene skal være tilnærmelsesvis ens for at undgå defekter i materialet. Derefter "doteres" krystalstrukturen, det vil sige tilsættes ad kemisk vej andre atomer end de oprindelige, hvorved de elektriske egenskaber ændrer sig til enten en n eller p type halvleder.

Næste trin består af ca. 100 mindre produktionstrin. Et af disse produktionstrin er en fotografisk proces, hvor de belyste dele af skiven ad kemisk vej fjernes. Detaljerne er uendelig små. Størrelsen af de belyste partier er i størrelsesordenen 20 nm. 1 nm er en milliontedel af en millimeter. Opbygning af hver LED omfatter bittesmå ledninger af metal og mikroskopiske komponenter med særlige elektriske egenskaber. En skive ('wafer') med en diameter på 100 mm kan opdeles i enten 120.000 små LED'er (med  areal på hver ¼ mm²) eller ca. 7.500 individuelle større LED'er (med et areal på hver 1 mm²). 

Det sidste produktionstrin er pakningen af de enkelte chips (på engelsk 'packaging' - her menes ikke emballering, men indkapsling). Selve huset omkring hver enkelt LED kan bestå af metal, keramik og plastic. Huset beskytter chippen mod fugt og andre ødelæggende påvirkninger, men skal samtidig lede varmen væk fra chippen og må ikke skærme for det udsendte lys.

 

kl-60-30-30-osrram-led-fremstilling-smd-chip-high.jpg

Fremstilling af LED'er. Figur: Osram.

 

 

Relaterede emner: