Главное меню
Главная
Здесь есть все!
Кто виноват?
Что делать?
Что?
Где?
Когда?
Вокруг да около
LEDниковый период 1 (устройство светодиодов)

Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света Image

Вторая половина XX века принесла человечеству ряд выдающихся открытий в физике полупроводников, кардинально изменивших жизнь и деятельность людей. Изобретение транзистора, последовавшее за этим создание компьютера и дальнейшее бурное развитие полупроводниковой электроники, вычислительной техники и информационных технологий оказало громадное влияние на все без исключения области человеческой деятельности. В последние годы мы стали свидетелями взрывного развития еще одной области техники, основанной на физике полупроводников, – оптоэлектроники. Прежде всего это проявляется в стремительном совершенствовании светодиодов – замечательных полупроводниковых источников света, которые с высокой вероятностью в ближайшем будущем преобразят мир искусственного освещения. Светодиоды, или светоизлучающие диоды (в английском варианте LED – light emitting diodes) хорошо известны каждому как миниатюрные индикаторы (обычно красного или зеленого цвета), применяемые в аудио– и видеоаппаратуре и в бытовой технике. Чтобы понять, почему этим маленьким "огонькам" пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее их устройство, характеристики, принципы работы и историю создания и развития. Прежде всего, светодиод – это полупроводниковый диод, то есть по сути дела p-n-переход. Напомним, что p-n-переход – это "кирпичик" полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов – "n-тип", второй с избытком дырок – "p-тип"). Если к p-nпереходу приложить "прямое смещение", т. е. подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов. Нас интересует то, что происходит Imageпосле того, как через прямо смещенный p-n переход пошел ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда – электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны "находят пристанище" в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона. В случае безызлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация. Впервые это явление в далекие 20-е годы исследовал О. В. Лосев, наблюдавший свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто "побочный эффект", не имеющий практического смысла. Для светодиодов же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы. Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США). Помимо них в 60-е годы были созданы светодиоды из GaP c красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход (отношение числа излученных светодиодом фотонов к общему числу перенесенных через p-n-переход элементарных зарядов) был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм - области наивысшей чувствительности человеческого глаза, - поэтому яркость их желто-зеленого излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1-2 Лм/Вт.

Рис. 2. Три способа получить белый свет

ImageImage 

Красный + синий + зеленый светодиоды

Динамическая настройка цветов

Отличная цветопередача

Широчайшая гамма возможных цветов

ImageImage

Возможна настройка белого цвета путем подбора люминофора

Отличная цветопередача

УФ-светодиод + RGB-люминофор

ImageImage

Самый простой и дешевый способ

Хорошая цветопередача

Синий светодиод + желтый люминофор

Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям – увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу советских ученых, в частности Ж. И. Алферова с сотрудниками, еще в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход за счет ограничения активной области рекомбинации. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15 для красной части спектра (световая отдача до 10 Лм/Вт) и более 30% – для инфракрасной. Показателен факт присуждения Жоресу Ивановичу Алферову Нобелевской премии в 2000 году, когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники. Исследования других гетероструктур привели к созданию эффективных светодиодов, излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды на основе фосфидов алюминия-галлия-индия (разработка компании Hewlett Packard) излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Они имели световую отдачу до 30 Лм/Вт (и внешний квантовый выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что, в отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20–50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое "узкополосное" излучение называют "квазимонохроматическим". Как источники "цветного" света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 Лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 Лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds обеспечивают 50 Лм/Вт для красной и даже 65 Лм/Вт для оранжево-красной части спектра (www.luxeon.com). Впрочем, и это не рекорд – для желто-оранжевых светодиодов планка 100 Лм/Вт уже взята. На рис. 1. представлена световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света. Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Эту проблему решил несколько лет назад Ш. Накамура из компании Nichia Chemical с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия-галлия InGaN. В сине-зеленой области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20% и вплотную приблизиться по эффективности к люминесцентным лампам (световая отдача 60–80 Лм/Вт). Изобретение синих светодиодов замкнуло "RGB-круг": теперь стало возможным получение любого цвета, в том числе любого оттенка белого цвета простым смешением цветов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе. Если синий светодиод покрыть специальным желтым люминофором, мы получим белый свет. Белые светодиоды намного дешевле трехкристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по световой отдаче (до 30 Лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания ("мировые рекорды" яркости, мощности и эффективности, похоже, начали сыпаться, как из рога изобилия; на последней Lightfair-2002Image Lumileds Lighting показала белый Luxeon мощностью 5 Вт с потоком 120 Лм). Еще один метод – возбуждение трехслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра по аналогии с кинескопом цветного телевизора (УФ-светодиод в данном случае "заменяет" электронную пушку кинескопа). Кристалл светодиода – практически точечный источник света, поэтому корпус может быть очень миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод тепла от кристалла. Самая распространенная конструкция светодиода – традиционный 5миллиметровый корпус (рис. 3, вверху). Конечно, это не единственный вариант “упаковки” кристалла. Например, для сверхъярких светодиодов, расчитанных на большие токи, требуется массивный теплоотвод (рис. 3, внизу).

Рис. 3. Конструкция светодиода

 

При подготовке статьи использовались материалы: Л. М. Коган "Светодиоды нового поколения для светосигнальных и осветительных приборов" (брошюра из серии "Новости светотехники" под ред. Ю. Б. Айзенберга)

Материалы компаний: Power Light Systems, "Оптоника", "Студия Cадового Cвета", "Эдлайн" Каталоги компаний: Color Kinetics, OSRAM Optosemiconductors, Lumileds Lighting

Материалы сайтов:

www.osram-os.com

www.lumileds.com

www.ledmuseum.org

www.messefrankfurt.com

www.colorkinetics.com

www.westb.ru

 
« Пред.   След. »
Copyright
 
Опросы
Где бы вы купили светодиодную подсветку