Полупроводниковые светодиоды

3. Полупроводниковые светодиоды.. Светодиоды (СД, в иностранной литературе – LED, Lighting Emitting Diodes) — наиболее «молодые» источники света, принципиально отличающиеся от тепловых и разрядных излучателей. Впервые свечение па границе металла и полупро­водникового материала — карбида кремнии — наблю­дал русский инженер О.В. Лосев в Нижегородской лаборатории в 1923 г. Позднее (в 1939 г.) он дал фи­зическое объяснение этого свечения, получившего в литературе название («эффекта Лосева». Свечение было голубовато-зеленого цвета с очень малой яркостью, о практическом применении этого явления в те годы не могло быть и речи. В начале 60-х годов ХХ века несколько :зарубежных компаний начали производство СД с красным цветом излучения на основе полупроводниковых материалов — галлия. мышьяка, фосфора (Gа, А‚ Р). Эти СД имели световую отдачу 0,1-0.2 лм/Вт, световой поток не более 0.02 лм и стали очень широко использоваться в различной аппаратуре как индикаторные элементы. В конце 60-х голом поя­вились СД с зеленым, а затем и с желтым цветом излу­чения, созданные также на основе элементов арсенидов и фосфитов галлия, мышьяка, ин­дия. Светотехнические параметры зеленых и желтых СД мало отличались от параметров красных. Подлинная революция в производстве СД произошла в начале 90-х голов, когда благодаря работам Ж.И. Алферова и других, были получены многопроход­ные двойные гетероструктуры (МЛГС) — GaAlАs и др. Световая отдача красных и зеленых СД увеличилась в 100 раз и достигла значений 10-20 лм/Вт. В 1994 г. японской фирмой Nichia были созданы СД па основе нитрида галлия (GаN) и его твердых растворов с синим цветом излучения (470 нм). К 2006 г. получены следующие значения парамет­ров СД: цветность излучения практически любая: световая отдача серийных СД — ло 65 лм/Вт (цветных) и 45- 55лм/Вт (белых). По прогнозам специалистов фирмы Philips (Голландия) в ближайшие годы световая отдача красных СД может быть увеличена до 150, зеленых — до 135 и белых — до 50 лм/Вт. Следует отметить что жизнь опережает эти прогнозы: уже демонстрировались белые СД с световой отдаче 57лм/Вт, а на ла­бораторных образках получена световая отдача более 100лм/Вт. Принцип работы и устройство СД. Генерация света в СД происходит за счет энергии, выделяемой при ре­комбинации носителей тока — электронов и дырок — па границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. Характер проводимости определяется не только самим материалом, но и при­месями (легирующим веществами), вводимыми в основной материал в строго дозированных количествах. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется полупроводником типа «n». Материал с недостатком электронов, т.е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных поглотить электрон и стать ней­тральным атомом, называется полупроводником типа «р». На границе таких материалом образуется р-n­ переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус — к материалу с электронной проводимостью n. плюс — с дырочной проводимостью р) через переход пойдет ток, а при рекомбинации электронов и дырок будет выделяться энергия. Величина энергии квантов. выделяемых при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов в возбужденном инейтральном атомах, т.е. от ширины запретной зоны. При ширине запретной зоны от 1,7 до 3.4 эВ энергия излучаемых квантов соответствует видимому диапазону спектра с длинами воли от 700 до 400 им. Полупроводниковые материалы с различными типами проводимости и разной шириной запретной зоны делают на специальных установках методом эпитакси­ального выращивания МЛГС в жидкой или газообразной среде. На рис. 4.1 показана структура кристалла СД с указанием реальной толщины слоев. Выращенные на подложках структуры диаметром 6-12 см разрезаются на кристаллы размером от 0.1 х 0.1 до 0,5 х 0.5, являющиеся собственно основой СД. Типовая конструкция наиболее массовых СД показана на рис. 4.2. Рис. 4.2 типовая конструкция СД. Излучение генерируется в кристалле и р—n пе­реходе между кристаллом 1 и кристаллодержателем 2, к которым через электроды З и 4 подводится напряжение соответствующей полярности. С помощью отражателя 5 с высотой стенок около 0,5 мм боковое излучение направляется в нужную сторону — вдоль оптического оси СД. Кристалл, кристалодержатель и внутренние электроды залиты прозрачным полимером с максимально высоким коэффициентом преломления — эпоксидной смолой или поликарбонатом, образующие корпус СД 6. Купол корпуса выполняет функцию линзы, фо­кусирующий излучаемый поток в определенном телес­ном угле. При углах больше 150 форма купола близка к сферической, при меньших углах — к эллиптической. Иногда вместо купольной формы делают выходное окно в виде линзы Френеля, также формирующей из­лучаемый поток в заданном угле. Внешние выводы электродов 3 и 4 служат не только для ввода напря­жения, по и для фиксации СД па печатных платах. При очень больших механических нагрузках, кроме крепле­ния выводами, применяют дополнительные меры, на­пример, приклеивание корпуса и т.п. Кроме торцевой конструкции, показаппой на рис. 3.120, часто встречаются СД плоскостного монта­жа, у которых внешние выводы расположены в плоском основании (в иностранной литературе такие СД на­зываются SМТ или реже СОВ). Такие СД могут монти­роваться непосредственно па печатных платах, образуя конструкции очень малой толщины (1-2,5 мм). Кроме полупроводниковых СД на основе металлов, разработаны органические СД (в иностранной литерату­ре — ОLЕD). Первое сообщение об органических СД появилось и 1987г. Светоизлучающий слой из органических ма­териалов, легированных металлами, располагается между двумя тончайшими слоями других органических материа­лом. Которые с помощью добавок превращены в полупро­водниковые материалы n- и р-типов. С полупроводником n типа контактирует катод из прозрачной окиси олова (ин­дия), нанесенной на стекло. В качестве анода, контактирующего с полупроводником р-типа, используется сплав се­ребра и магния. Вся конструкция имеет толщину, соизме­римую с длиной волны видимого излучения. Генерируе­мый при подаче напряжении смет выходит через прозрач­ный катод. Яркость органических СД достигает сотен кд/м2, срок службы завысит от интенсивности излучения и со­измерим со сроком службы обычных СД, световая отдача заметно ниже. Из органических СД могут формироваться тонкие панели больших размеров, чло и определи­ло их основную (пока) область применены для экранов дисплеев ноутбуков. В последние годы появились достаточно мощные СД с собственными радиаторами в виде фланцев крепежных винтов и др. Следует сказать, что при увеличении мощности СД возникает необходимость в от­воде тепла от них, т.к. с ростом температуры световая отдача СД снижается. В каталогах фирм, выпускающих СД повышенной мощности, обычно рекомендации по необходимой площади теплоотвода. Параметры СД. как и любого ИС, можно разделить па входные и выходные. К входным параметрам относится: прямой ток через СД Iпр; прямое падение напряжения при номинальном токе Uпр: максимально допустимое обратное напряжение; вольтамперная характеристика (зависимость пря­мого паленин напряжения от тока). Номинальные примой ток 1, через кристалл разме­ром 0,1 х 0,1 мм равен 20-40 мА. Максимально допус­тимый примой ток зависит от условий охлаждения, конструкции СД, а при импульсном токе – от скважности импульсов. Срок службы большинства современных СД в номинальном режиме превышает 50000ч. По этому пара­метру СД также превосходят все остальные тины ИС. Интенсивность СД определяется временем нарастания светового потока от 0,1 до 0,9 и спада от 0,9 до 0,1Фном при подаче и снятии напряжения. У современных СД это время составляет 50нс. Типичная люмен – амперная характеристика СД приведена на рис. 4.3. На достаточно больших участках эта характеристика линейна. Рис 4.3 Типичная люмен – амперная характеристика СД. Схемы включения СД предельно просты, т.к. они до­пускают последовательное и параллельное включение без выравнивающих сопротивления. Поскольку максимально допустимое обратное напряжение СД значи­тельно выше пряного падения напряжения на них, то, в принципе, они могут включаться непосредственно в сеть переменного тока с соответствующим напряжени­ем. Например, цепочка из 100 последовательно соединенных СД желтого цвета может быть включена через ограничительное сопротивление в сеть с напря­жением 220 В. Однако па практике такое включение не применяется, т.к. последовательное включение боль­шого количества элементов резко снижает их надежность и, кроне того, глубина пульсаций светового потока при питании переменным током равна 100%. При этой, в отличие люминисцентных и других раз­рядных ламп, частота пульсаций составит не 100, а 50 Гц. Поэтому на практике СД включаются только на постоянное напряжение. Большинство фирм- изготовителей СД производит и блоки питании для них. Такие блоки представляют собой преобразователи сетевого напряжения в постоянное напряжение 8, 12 или 24 В, от которых питаются параллельно-последовательные цепочки СД. Количество последовательно соединенных СД в цепочке определяется выходным напряжение блока и цветностью СД. Например, к блоку с напряжением 12 В может быть подключено до грех СД с си­ним или белый излучением или ли 6 с красным. Количество параллельных цепочек определяется максималь­ным током, который попускает блок. Например, к бло­ку с выходным током 1 А может быть подключено до 50 цепочек с номинальным током 20 мА. Типичные габа­риты блока с максимальным током нагрузки 1 А - 100 х 50 х 20 мм, масса - не более 70г. Примеры схем включения СД показаны па рис. 4.4. Рис 4.4 Варианты группового включения СД: a – последовательное, б – последовательно параллельное.