Светодиоды

1. Светодиоды

2. 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.

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

4. 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.

5. Структура синего светодиода

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

7. 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.

8. Строение 5-мм светодиода, излучающего белый свет

9. 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.

10. 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.

11. 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 AgilentTechnologies и Philips Lighting. Производство сверхъярких светодиодов с повышенным током накачки, светодиодных сборок и модулей (Barracuda, Luxeon) очень высокой яркости. • 3) AgilentTechnologies , 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».

12. 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 мм2 вместо 0,05 мм2 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

13. Строение светодиода Luxeon III

14. 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.

15. По электрической мощности светодиоды Luxeon делятся на следующие серии: • Luxeon- однокристальные с прямым рабочим током 350 мА , мощность 1 Вт. • LuxeonIII -однокристальные с прямым рабочим током 0,7…1 А , мощность 3 Вт. • LuxeonV- 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.

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

17. Благодаря специальной конической линзе он имеет круговую диаграмму излучения.

19. 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).

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

21. Серия Golden Dragon от Osram Optosemiconductors

22. Серия светодиодов СИЛА от АО « Протон».

23. Технические характеристики.

26. 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.

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

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