Светодиоды

Введение В последние годы мы стали свидетелями стремительного развития области техники, основанной на физике полупроводников, - оптоэлектроники. Прежде всего, это проявилось в революционном совершенствовании светодиодов- твердотельных полупроводниковых источников света. Еще недавно светодиоды были всего лишь устройствами индикации, а сегодня это уже высокоэффективные источники света, которые в ближайшее время преобразят мир искусственного освещения и заменят лампы накаливания.

Светодиод-это Полупроводниковый элемент, у которого pn-переход устанавливается под светопроводящей линзой и в результате рекомбинации происходит выделение квантов световой энергии.

История создания 1907г-Х.Д. Раунд случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. 1922г.-О.В. Лосев обнаружил во время своих ночных радиохват свечение кристаллического детектора и сразу перешел к экспериментам 1951г.-создан центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева». 60-е годы- созданы Ником Холоньяком (США) первые светодиоды, имеющие промышленное значение с красным и желто-зеленым свечением на основе структур GaAsP/GaP. 70-е годы – группа Дж. Панкова (J.Pankove, RCA, Princetone, USA) из лаборатории компании IBM создала фиолетовые и голубые светодиоды на основе эпитаксиальных пленок нитрида галлия (GaN) на сапфировой подложке. 28 марта 1991 – свой первый синий светодиод изготовил Накамура. 1994г. – Накамура сделал первый синий коммерческий светодиод на основе гетероструктуры InGaN / AlGaN с активным слоем InGaN, легированным Zn.

Структура синего светодиода

Технологии создания белых светодиодов Первый способ-смешение излучения СД трех или более цветов.

Второй и третий способы- смешение голубого излучения СД с излучением либо желто-зеленого люминофора, либо зеленого и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучением. Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров.

Строение 5-мм светодиода, излучающего белый свет

Люминофоры Происхождение этого термина связано с латинским «lumen»-свет и греческим «phoros»-несущий. Люминофоры-это твердые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений. По типу возбуждения различают фотолюминофоры, катодолюминофоры, рентгенолюминофоры и др. По химической природе различают органические люминофоры, называемые органолюминофорами, и неорганические-фосфоры. Если последние имеют кристаллическую структуру, их называют кристаллофосфорами. Свечение люминофора может обусловлено как свойствами основного вещества, так и наличием примеси-активатора, который образует в основном веществе центры свечения.

Четвертый способ-смешение излучения трех люминофоров (красного, зеленого и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. Этот способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались в течении многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминисценции, не точно соответствующие УФ – спектру излучения кристалла СД. Светоотдача белых СД ниже, чем светоотдача с узким спектром, поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть ее теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших белых СД 25…30 лм/Вт.

Производители светодиодов. 1) Nichia Chemical (Япония). Компания, впервые разработавшая СД синего и белого свечения на основе структур InGaN, сохраняет лидирующие позиции в производстве сверхъярких синих, зеленых и белых светодиодов. 2) LumiLeds Lighting, США. Совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting. Производство сверхъярких светодиодов с повышенным током накачки, светодиодных сборок и модулей (Barracuda, Luxeon) очень высокой яркости. 3) Agilent Technologies, США. Отделение электронных компонентов компании Hewlett-Packard, с 1999 года- самостоятельная компания. Признанный лидер в разработке сверхъярких СД. 4) Osram Optosemiconductors (штаб-квартира компании находится в Германии, производственные мощности- в США и Малайзии.) Производство сверхъярких СД, в том числе для поверхностного монтажа. Очень широкая линейка светодиодных модулей. 5) Светодиоды, в том числе белого цвета выпускаются и в России фирмами «Корвет-лайтс»,»Протон», «ТрансЛед», НПЦ ОЭП ОПТЭЛ, «Оптоника», « Светлана Оптоэлектроника».

Конструкции мощных светодиодов. Конструкции мощных светодиодов основаны на следующих принципах: Использованы высокоэффективные излучающие гетероструктуры в системах AlGaInP/GaAs, AlGaInP/GaP и InGaN, (активная область гетероструктуры содержит либо одиночную, либо множественную квантовые ямы); Излучающие кристаллы имеют площадь не менее 1 мм 2 вместо 0,05 мм 2 в стандартных СИД диаметром 5 мм); увеличение площади кристалла направлено на увеличение рабочего тока, т.е. на увеличение светового потока и снижение теплового сопротивления кристалла; Для увеличения светового потока в ряде конструкций применяются несколько кристаллов, соединенных как последовательно, так и параллельно- последовательно; В качестве кристаллодержателя для улучшения теплоотвода использованы мощные медные основания (радиаторы); Для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов применены соответсвующие рефлекторы; Для эффективного вывода излучения и формирования заданной диаграммы направленности излучения конструкции светодиодов содержат полимерную линзу, согласованную по размерам с отражателем бокового излучения, а также в некоторых конструкциях вторичную оптику

Строение светодиода Luxeon III

Конструкция СД Luxeon III обеспечивает эффективный отвод тепла от кристалла. Световая отдача белого светодиода Luxeon III при номинальном прямом токе 0,7 А составляет 25 лм/Вт, световой поток при этом равен 65 лм. Светоотдача Luxeon III уже превосходит светоотдачу классических и галогенных ламп накаливания, и в ближайшее время LumiLeds Lighting планирует вплотную подойти к выпуску люминесцентных ламп со светоотдачей 80…100 лм/Вт.

По электрической мощности светодиоды Luxeon делятся на следующие серии: Luxeon- однокристальные с прямым рабочим током 350 мА, мощность 1 Вт. Luxeon III -однокристальные с прямым рабочим током 0,7…1 А, мощность 3 Вт. Luxeon V- четырехкристальные с прямым рабочим током 700 мА, мощность 5 Вт.\ Варианты исполнения: Emitter- базовый элемент, единичный светодиод; Star – Emitter на теплоотводящем основании; Star/С – Emitter на квадратном теплоотводящем основании с разъемом; Star /О– Emitter с интегрированной вторичной оптикой; Star / IDC- Emitter на ромбовидном теплоотводящем основании.

Хорошо видно, что кристалл и рефлектор покрыты слоем желтого люминофора.

Благодаря специальной конической линзе он имеет круговую диаграмму излучения.

Модуль Line представляет собой 12 светодиодов Star/O, закрепленных на основании в виде линейки (рис.10). Модули Ring 6 и Ring 12 состоят соответсвенно из шести и двенадцати светодиодов Star/O, закрепленных на кольцевом основании (рис.11).

Модули Flood 12 и Flood 18 – источники света, состоящие из 12 и 18 светодиодов, закрепленных на квадратном основании (рис.12).

Серия Golden Dragon от Osram Optosemiconductors

Серия светодиодов СИЛА от АО « Протон».

Технические характеристики.

Технология. Технология производства светодиодов складывается из нескольких этапов, первый из которых - изготовление чипов. Их производством занимаются всего несколько компаний во всем мире. Необходимое для этого оборудование - эпитаксиальная установка - стоит чрезвычайно дорого, и на то, чтобы ее освоить, уходят годы. Российские фирмы пока не могут себе этого позволить и используют иностранные чипы. Важнейшими компонентами конструкции являются: теплоотводящий корпус или элемент; прозрачный купол с нанесенным на него люминофором; оптическая система. Самой передовой на сегодняшний день технологией, обеспечивающей эффективный отвод тепла от кристалла, является технология поверхностного монтажа COB (chip-on-board). Наилучшую оптическую систему в виде перевернутой пирамиды, которая позволяет сформировать световой пучок в нужном телесном угле и избежать потерь, применяет Lumileds в светодиодах серии Luxeon.

Достоинства светодиодов Малое потребление э/э Чистый свет Надежен и прочен Большой срок службы (100тыс.ч.) Безопасен (низковольтный прибор)

Недостатки Цена Цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой.