Светодиоды

Оглавление

Понятие, виды, структура светодиодов 2

Свойства и характеристики светодиодов 7

Преимущества светодиодов и их применение. 12

Заключение 13

Список литературы 14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Понятие, виды, структура светодиодов

     Светодиод-это  полупроводниковый прибор, преобразующий  электрический ток непосредственно  в световое излучение.

     Так как светодиод является полупроводниковым  прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод  имеет два вывода, один из которых  катод ("минус"), а другой - анод ("плюс").

     Светодиод состоит из полупроводникового кристалла  на подложке, корпуса с контактными  выводами и оптической системы. Современные  светодиоды мало похожи на первые корпусные  светодиоды, применявшиеся для индикации.  

     Рис.1. Схематическое устройство светодиода

     Принцип работы светодиода заключается в  следующем: свечение возникает при  рекомбинации электронов и дырок  в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

     Но  не всякий p-n-переход излучает свет. Причины следующие. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

     Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается  недостаточно, и приходится изготавливать  многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

     Чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок  поступают в зону рекомбинации в  единицу времени. Но ток нельзя увеличивать  до бесконечности. Из-за внутреннего  сопротивления полупроводника и  p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

     Светодиод хорош тем, что в нём, в отличие  от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется  непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать  почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

     Рис. 2. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света

     Плох  светодиод только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного  светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

     Первоначально светодиоды применялись исключительно  для индикации. Чтобы сделать  их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

     В 60-х и 70-х годах были созданы  светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

     К концу 80-х годов в СССР выпускалось  более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

     Цвет  светодиода зависит исключительно  от ширины запрещенной зоны, в которой  рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей.

     У светодиодов на основе карбида кремния SiC оказался слишком мал кпд и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

     Нитрид  галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

     Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

     Изобретение синих светодиодов сделало возможным  получение светодиодов белого свечения. Существует четыре способа создания белых СД, каждый со своими достоинствами  и недостатками. Один из них –  смешение излучения СД трёх или более  цветов. На рис. 2 показано получение  белого света путем смешивания в  определённой пропорции излучения  красного, зелёного и синего светодиодов.

     В принципе такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого  из СД – красного, зелёного или синего – можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих токах и напряжениях интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для синтеза белого цвета. Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ неудобен, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СД. Второй и третий способы – смешение синего излучения СД с излучением либо жёлто-зелёного люминофора, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим синим излучением. На рис. 3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора [6]. 

     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. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть голубого излучения возбуждала люминофор, а часть – проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы излучение имело белый цвет в нужном телесном угле.

Свойства  и характеристики светодиодов

     Светодиод – низковольтный прибор. Обычный  светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного  напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут  быть включены последовательно, и суммарное  напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

     При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем  и обычно составляет более 5В для  одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком  и осевой силой света, а также  диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

     Для сравнения эффективности светодиодов  между собой и с другими  источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой  характеристикой оказывается цена одного люмена.

     Реакция светодиода на повышение температуры  такова: p-n-переход – это «кирпичик» полупроводниковой электронной  техники, представляющий собой соединённые  вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов – «n-тип», второй с избытком дырок – «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое  смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к р-части, то через него потечёт ток. Современные  технологии позволяют создавать  интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле. Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещённый p-n переход пошёл ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда – электронов и дырок. 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. Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто «побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для светодиодов же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы.

     Говоря  о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности  кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

     Падение яркости с повышением температуры  не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у красных и  желтых, и меньше у зеленых, синих  и белых.

     Ток через светодиод нужно стабилизировать. 

     Как видно из рисунка, в рабочих режимах  ток экспоненциально зависит  от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

     Светодиоды  допускается «запитывать» в импульсном режиме, при этом импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импульсов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – метод, очень распространённый в современной электронике. Это позволяет создавать контроллеры с возможностью плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колор-чейнджеры) [6].

     Конвертор для светодиода — то же, что балласт  для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

     Яркость светодиодов очень хорошо поддается  регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то как раз  делать нельзя, - а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный  управляющий блок (реально он может  быть совмещен с блоком питания и  конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

     Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший  ток пропускается через светодиод  в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее  наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и  составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается  на 30% или наполовину, светодиод надо менять. Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

     Технологии  изготовления светодиодов и светодиодных модулей существующих на сегодняшний день: что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

     За  один процесс, который длится несколько  часов, можно вырастить структуры  на 6 — 12 подложках диаметром 50 —  75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 — 2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры.

     Важным  этапом технологии является планарная  обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.

     Следующим шагом является создание светодиодов  из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для  вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла  и корпуса, сделать пластиковый  купол, фокусирующий излучение в  нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

     Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять  производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

     Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно  на общую подложку, которая может  исполнять роль радиатора — в  этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть  дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как  у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

     Раньше  в светодиодных сборках было очень  много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль [7].

     Светодиоды  находят применение практически  во всех областях светотехники, за исключением  освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому  цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

Преимущества светодиодов и их применение.

По сравнению  с другими электрическими источниками  света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие  отличия:

• Высокий КПД (60…80%). Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
• Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром.
• Малая инерционность.
• Малый угол излучения. Это может быть как достоинством, так и недостатком.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.), в отличии от люминесцентных ламп.

В связи с наличием вышеописанных преимуществ, светодиоды постепенно внедряются в различных  областях, таких как:

• Уличное, промышленное, бытовое освещение
• В качестве индикаторов - как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
• В оптопарах
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет)
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочих устройствах
• В светодиодных дорожных знаках
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

Заключение

     До  недавнего времени светодиодные лампы являлись всего лишь электроприборами, сообщающими о том, что принтер  включен или что на автоответчике  есть сообщение. Однако в последние  годы стояла задача заменить ими большую  часть обычных ламп накаливания  и люминесцентных ламп. Сегодня главным  недостатком светодиодов является их высокая цена, которая в десятки раз выше цены традиционных ламп. Этот недостаток пока ограничивает применение светодиодов. Но развитие технологий предвещает снижение цен на СД, что вкупе с наличием достоинств СД позволяет сказать, что в ближайшем будущем СД будут очень широко распространены.

Список литературы

1. Алфёров Ж. И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18.

2. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича.

М., 1979.

3. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.

4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.

5. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. М., 1979.

6. Неменов  Л. Л., Соминский М.С. Основы  физики и техники полупроводников. Л., 1974.

7. Носов  Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические  основы, приборы и устройства. М., 1978.