Справочная книга по светотехнике

СВЕТОДИОДЫ

Светодиоды (СД, в иностранной литературе —

l. F. I), Lighting Emitting Diodes) — наиболее «молодые» источники света, принципиально отличающиеся ог тепловых или разрядных излучателей. Принципы рабо­ты СД и история их развития подробно изложены в

13.44, 3.45. 3.461.

Впервые свечение па іранипе металла и полупро­водниковою материала — карбида кремния — наблю­дал русский инженер О. В. Лосев в Нижегородской ра­диолаборатории в 1923 г. Позднее (в 1939 г.) он дал фи­зическое объяснение этого свечения, получившего п литературе название «эффекта Лосева». Свечение было голубовато-зеленого цвета е очень малой яркостью, о практическом применении этою явления в те годы не могло быть и речи.

В начале 60-х годов XX века несколько зарубежных компаний начали производство СД с красным цветом излучения на основе полупроводниковых материалов III и V групп таблицы Менделеева — галлия, мышьяка, фосфора (Ga, As, Р). Эти СД имели световую отдачу 0,1-0.2 лм/Вг, световой поток не более 0,02 лм и стали очень широко использоваться в различной аппаратуре как индикаторные элементы. В копне 60-х годов поя­вились СД с зеленым, а затем и с желтым цветом ихту - чения, созданные также на основе элементов III и V групп — арсепидов и фосфидов галлия, мышьяка, ин­дия. Снеготехнические параметры зеленых и желтых СД мало отличались от параметров красных.

Подлинная революция в производстве СД прои­зошла в начале 90-х годов, когда, благодаря работам Ж. И. Алферова и других, были получены многопроход­ные двойные гетерострукгуры (МДГС) — GaAlAs, AlInGaAs. AlInGaP. Световая отдача красных и зеленых СД увеличилась в 100 (!) раз и достигла значений 10-20лм/Вг. В 1994 г. японской фирмой Nichia были созданы СД на основе нитрида галлия (GaN) и ею твердых растворов (InGaN, AlGaN) с синим цветом из­лучения (470 нм). К 2004 голу световая отдача СД на основе МДГС достигла значений 30—50 лм/Вт, а на ла­бораторных образцах СД красного цвета (611 пм) была получена световая отдача 102 лм/Вт |3.47].

Появление СД с излучением в коротковолновой ча­сти спектра открыло пути для создания приборов с бе­лым излучением за счет преобразования синего света в более длинноволновое с помощью люминофоров (ана­логично процессам в люминесцентных лампах) или пу­тем аддитивного смешивания красного, зеленого и си­него цветов. Белые СД с люминофорами появились в 1996 году. Именно с этого времени СД превратились из индикаторных элементов в источники света в прямом смысле этого понятия. Во многих странах одновремен­но стали разрабатываться и выпускаться различные ОП с использованием СД.

К 2006 г. получены следующие значения парамет­ров СД: цветность излучения — практически любая: световая отдача серийных СД — до 65 лм/Вт (цветных) и 45+55 лм/Вт (белых); общий индекс цветопередачи белых СД — 85. 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 13.48]. Следует отмстить, что жизнь опережает эти прогнозы: на выставке «I. ight+ Building-2004» во Франкфурте-на-Майне уже демонстрировались белые СД с г) v =57 лм/Вт, а на ла­бораторных образцах получена световая отдача более 100 лм/Вт. По оценке А. Э. Юновича (3.48] к 2020 г. r|v белых СД может достигнуть 200 лм/Вт, а теоретический предел световой отдачи составляет 300 лм/Ві.

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 пе только самим материалом, но и при­месями (легирующими веществами), вводимыми в основной материал в строго дозированных количест­вах. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется «полупроводником типа л». Материал с недостатком электронов, г. е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных поглотить электрон и стать ней­тральным атомом, называется «полупроводником типа ро. На границе таких материалов образуется р-п - переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус — к материалу с электронной проводимостью п. 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 и нейтральном атомах, i. e. 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 пм.

Полупроводниковые материалы с различными ти­пами проводимости и разной шириной запретной зоны делают на специальных установках методом эпитакси­ального выращивания МДГС в жидкой или газообраз-
пой среде. Наибольшее распространение получил ме­тод выращивания МДГС путем металлоортапического вакуумного нанесения материалов на подложку из сап­фира (AI2O3). карбида кремния (SiC), арсснида галлия (GaAs) или фосфида галлия (GaP). На рис. 3.119 пока­зана структура кристалла СД с указанием реальной тол­щины слоев. Выращенные па подложках структуры диаметром 6-12 см разрезаются на кристаллы разме­ром от 0,1x0,1 до 0,5 х 0,5 мм, являющиеся основой собственно СД.

р-контакт

Для СД с излучением в красной и желтой областях спектра используются полупроводниковые МДГС па основе GaAlAs и AlGalnP. в зеленой и синей облас­тях — на основе нитридов индия и галлия и их твердых растворов (InN, GaN, InGaN, AlInGaN).

Типовая конструкция наиболее массовых СД пока­зана на рис. 3.120.

Излучение генерируется в кристалле / и п р—«-пе­реходе между кристаллом / и крист аллодержа гелем 2, к которым через электроды 3 и 4 подводится напряжение соответствующей полярности. С помощью отражателя 5 с высотой стенок около 0,5 мм боковое излучение на­правляется в нужную сторону — вдоль оптической оси СД. Кристалл, кристаллодержатель и внутренние элек­троды залиты прозрачным полимером с максимально высоким коэффициентом преломления — эпоксидной смолой или поликарбонатом, образующим корпус СД 6. Купол корпуса выполняет функцию линзы, фо­кусирующей излучаемый поток в определенном телес­ном угле. При углах больше 15° 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 уїде. Внешние выводы электродов 3 и 4 служат не только для подвода 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, показанной на рис. 3.120, часто встречаются СД плоскостного монта­жа. у которых внешние выводы расположены в плоско­сти основания (в иностранной литературе такие СД на­зываются SMT 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 — OLED). Первое сообщение об органических СД поя­вилось в 1987 г. (Чип Тэнг, Стив Вап-Слайк, фирма East­man Kodak). Светоизлучающий слой из органических ма­териалов, легированных металлами, располагается между двумя тончайшими слоями других органических материа­лов, которые с помощью добавок превращены в полупро­водниковые материалы п - и p-типов. С полупроводником п 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 напряжения свет выходит через прозрач­ный катод. Яркость органических СД достигает сотен кд/м2, срок службы зависит от цветности излучения и со­измерим со сроком службы обычных СД, световая отдача заметно ниже. Из органических СД могут формироваться гибкие топкие панели больших размеров, что и определи­ло их основную (пока) область применения для экранов дисплеев ноутбуков.

В последние годы появились достаточно МОШПЫС 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 приводятся реко­мендации по необходимой площади теплоотвода.

Ряд фирм производит светодиодные панели круг­лой, квадратной, прямоугольной и других форм, на ко­торых смонтировано множество отдельных кристаллов, в совокупности образующих равномерно светящуюся поверхность.

Параметры СД, как и любою ИС, можно разделить па входные и выходные. К входным параметрам отно­сятся:

• прямой гок через СД /пр;

• прямое падение напряжения при поминальном токе Uup:

• максимально допустимое обратное напряжение

^обр. макс-

• волыамперпая характеристика (зависимость пря­мого падения напряжения от тока).

Номинальный прямой ток 1пр через кристалл разме­ром 0,1 х 0,1 мм равен 20-40 мА. Максимально допус­тимый прямой ток /пр макс зависит от условий охлажде­
ния, конструкции СД, а при импульсном режиме — от скважности импульсов.

Прямое падение напряжения Ипр на СД при номи­нальном токе зависит от энергии излучаемых квантов и составляет от 1,5 В для диодов, ихчучаюших в ИК-об - ласти, до 4,2 В для СД, ихіучаюших синий и фиолето­вый свет.

Максима.1ЫЮ допустимое обратное напряжение Uобр чикс большинства СД равно 10 В.

Примеры вольт-амперных характеристик СД раз­ных цветов показаны на рис. 3.121.

Все СД допускают работу в импульсном режиме с превышением амплитудною значения прямого тока над номинальным в 5—10 раз.

К выходным параметрам СД относятся:

• световой поток Ф;

• угол излучения 2«о5;

• осевая сила света /0;

• цветность ихтучения или длина волны п области максимума ихтучения Хмакс;

• световая отдача T)v (для ИК-диодов — КПД);

• яркость L (указывается для светящихся пластин):

• инерционность т;

• люмеп-амперная характеристика (зависимость светового или лучистого потока СД от прямого тока).

В литературе по СД часто встречаются еще два выход­ных параметра: внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний квантовый выход — это отношение числа ге­нерируемых в р-п-переходе квантов ихтучения к числу проходящих в единицу времени электроппо-дырочных пар. В современных инфракрасных и красных диодах на основе МДГС AIGalnP с подложкой из арсенила галлия внутренний квантовый выход близок к 100%. для СД си­него цвета на осноне нитридов индия и галлия — около 20%. Олнако не все генерируемые кванты ихтучения выхо­дят наружу — часть их геряегся в результате поглощения внутри кристаллов и за счет полных внутренних отраже­ний на границе кристалл-полимер. Внешний квантовый выход — это отношение числа квантов, выходящих из СД наружу, к числу электронно-дырочных пар, проходящих через />—л-переход.

Световой поток Ф — наиболее важный для свето­техников параметр СД, однако он указывается далеко не всегда и не всеми фирмами-изтотовитслями. Чаше в ка талогах приводятся осевая си. ш света /0 и угол излуче­ния 2ао 5- т. е. полный угод, па границах которого сила света составляет 0,5 or осевой. Для СД с двумя плоско­стями симметрии, изготавливаемых рядом фирм, в ка­талогах указываются утлы в этих плоскостях 2(Xq 5 и 2Р0 5- Среди промышленных СД разброс углов излуче­ния составляет от 3 до 180°. т. е. КСС СД могут быть от очень узких до диффузных. Величина осевой силы све­та определяется углом излучения и световым потоком. Для одпокристалльных СД красного и зеленою цветов она составляет от 0,5 до 150 кд, для синих — от 0,1 до 30 кд.

Цветность изучения определяется шириной запрет­ной зоны и, в меньшей степени, толщиной активною слоя СД. Излучение СД не является сірого монохрома­тическим: ширина спектральной полосы излучения со­ставляет от 10 до 20 пм (по уровню 0.5). Положение максимума излучения слабо зависит от прямого тока СД и от температуры р—л-перехода (около 0,05 нм/К). В настоящее время производятся СД практически с любым цветом излучения. На рис. 3.122 показано спек­тральное распределение энергии ихтучения современ­ных СД.

Белый свет СД получают либо с помощью люмино­форов. преобразующих коротковолновое излучение в более длинноволновое, либо аддитивным смешиванием излучения трех кристаллов. Наиболее простой и деше­вый способ — введение люминофора, ихпучаюшего желтый свет, в состав полимерного корпуса синих СД. Однако цветопередача таких СД невысока (Ra не более 70). Лучшую цветопередачу при более высокой свето­вой отдаче можно получить, используя три цветных люминофора, излучающих красный, зеленый и синий цвета (аналогично ЛЛ с узкополосными редкоземель­ными люминофорами). С применением люминофоров созданы СД с рахтичпой цветовой температурой (от 3000 до 8000 К) при общем индексе цветопередачи Ra до 85. При аддитивном смешивании ихтучений трех кристаллов можно получить белый свет практически с
любой цветовой температурой при Ra, близким к 100. но с низкими частными индексами цветопередачи.

Световая отдача Г) ^ лабораторных образцов крас­ных СД (Хмакс =611 нм) достигает 102 лм/Вт и, по про­гнозам специалистов, в ближайшие голы может превы­сить 150 лм/Вт. Выше 100 лм/Вт может быть также све - тоиая отдача зеленых (530 нм) и желтых (598 нм) СД.

К 2004 г. для белых СД с люминофором достигнута световая отдача 50 лм/Вт для промышленных и 100 лм/Вт для лабораторных образцов. Световая отдача синих СД (470 пм) в настоящее время достигает 10 лм/Вт и в будущем может быть повышена ло 50 лм/Вт |3.49|.

Яркость I. указывается в каталогах только для све­тодиодных матриц и пластин с достаточно большой площадью свечения. Яркость зависит от цвета излуче­ния и может превышать 10000 кд/м2 [3.50].

Инерционность СД определяется временем нараста­ния светового потока от 0,1 до 0.9 и спада от 0,9 до 0,1Фном "Ри подаче и снятии напряжения. У современ­ных СД па основе МДГС это время составляет от 10 до 50 не. Столь малая инерционность позволяет модули­ровать излучение СД с частотой до десятков МГц.

Типичная люмен-амперная характеристика СД приведена на рис. 3.123. На достаточно больших участ­ках эта характеристика линейна, однако при токах, значительно превышающих номинальные значения, у всех СД наблюдается отклонение от линейности (в сто­рону насыщения).

ф/ф40 мА 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 .

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

/, мА нии. 11о устойчивости к механическим нагрузкам СД значительно превосходят все остальные ИС. С ростом температуры световая отдача СД несколько снижается (приблизительно 0,5% на градус).

Срок службы большинства современных СД в номи­нальном режиме превышает 50000 ч. По этому пара­метру СД также превосходят все остальные типы И С.

Схемы включения СД предельно просты, т. к. они до­пускают последовательное и параллельное включение без выравнивающих сопротивлений. Поскольку макси­мально допустимое обратное напряжение СД значи­тельно выше прямого падения напряжения на них, то, в принципе, они моїут включаться непосредственно в сеть переменною тока с соот ветствующим напряжени­ем. Например, цепочка из 100 последовательно соединенных СД желтого цвета может быть включена через оіраничительнос сопротивление в сеть с напря­жением 220 В. Однако па практике такое включение пе применяется, т. к. последовательное включение боль­шого количества элементов резко снижает их надежность и. кроме гою, глубина пульсаций светового потока при питании переменным током равна 100%. При этом, в отличие от люминесцентных и других раз­рядных ламп, частота пульсаций составит пе 100, а 50 Гц. Поэтому на практике СД включаются только на постоянное напряжение.

Большинство фирм-изготовителей СД производит и блоки питания для них. Такие блоки представляют со­бой преобразователи сетевого напряжения (напр., 220 В, 50 Гц) в постоянное напряжение 8, 12 или 24 И, от которых питаются параллельно-последовательные цепочки СД. Количество последовательно соединен­ных СД в цепочке определяется выходным напряжени­ем блока и цветностью СД. Например, к блоку с напря­жением 12 В может быть подключено до грех СД с си­пим или белым излучением или до 6 с красным. Коли­чество параллельных цепочек определяется максималь­ным током, который допускает блок. Например, к бло­ку е выходным током 1 А может быть подключено ло 50 цепочек с поминальным током 20 мА. Типичные габа­риты блока с максимальным током нагрузки 1 А — 100x50x20 мм, масса — не более 70 г.

Примеры схем включения СД показаны па рис. 3.124.

о-й—И—И------------------- “И—й—КІ---------- 1=нс

а)

Н<Ы<Н<1--------------- н<ы<н<]—=Н

-W—КЗ—КІ------------------------- - кь-й—й--------------- =ь

I j

-и—и—и------------------------------------------------ - къ-кь-м-------------------- =ь-

-й—КЬ-Й---------------- - КЬ-КЬ-И---------- 1=-

Об) О

Рис. 3.124. Варианты группового включения СД: а — по­следовательное; б — п ос л е до ва те л ь н о -11 а р ал j і е. т ь н ос

Бурное развитие производства СД и их широкое внедрение в светотехнику обусловлено рядом их несо­мненных достоинств:

• исключительно высокой надежностью:

• большим сроком службы;

• малыми габаритами;

• отсугствием необходимости во внешних оптиче­ских элементах (линзах, рассеивателях, отражате­лях) для большинства случаев применения:

• высоким коэффициентом использования светово­го потока (близким к 100%);

• высокой устойчивостью к механическим нагруз­кам:

• способностью работать в широком диапазоне температур;

• экологичностью, связанной с отсутствием ртути и других вредных веществ;

• электрической безопасностью;

• простотой схем включения и управления.

Мировой объем производства СД в 2004 г. превысил

10 млрд. штук; их выпуск начат ведущими мировыми производителями ИС — фирмами Philips, Osram и др.

Основной недостаток СД — малая единичная мощ­ность. Рядом фирм, в том числе и российских, произ­водятся многокристалльные СД, в которых для увели­чения мощности на одной подложке смонтировано не­сколько кристаллов, соединенных последовательно-па­раллельно. Мощность таких мпогокристадльных СД. называемых также «светодиодными лампами», достига­ет 5 (по некоторым сведениям, даже 10) Вт. Часто встречаются также светодиодные модули или класте­ры — сборки из нескольких отдельных СД на одной плате (как правило. 5-7 штук на плате диаметром око­ло 30 мм).

Современный ассортимент серийно выпускаемых СД охватывает весь видимый диапазон спектра, ближ­ние И К - и УФ-области. Диапазон единичных мощно­стей СД — от единиц мВт до 5 Вг, углы излучения — от 3 до 180°.

Основной областью применения СД в настоящее время являются светосигнальные устройства: огни тор­можения и габаритные огни автомобилей, уличные и железнодорожные светофоры, дорожные указатели, за­градительные огни для высотных сооружений [3.49,

3.50. 3.51]. Очень широко внедряются СД в архитектур­но-художественное освещение, особенно для декора­тивной подсветки фонтанов и фасадов зданий. Ряд фирм производит настольные и налобные светильники с белыми и цветными СД. На улицах многих городов, в том числе в Москве. Санкт-Петербурге. 1-катерипбур- ге. установлены крупные (десятки м2) реклампо-ип - форманиоппые табло на СД. по яркости, четкости изображения и насыщенности цветов многократно превосходящие аналогичные устройства па лампах на­каливания при одновременном значительном сниже­нии потребляемой мощности и упрощении систем управления.

На выставке Lighl + Building-2004 во Франкфурте - на-Майне демонстрировались уличные светильники с желтыми СД (450 шт. обшей мощностью 42,5 Вт).

(Следует сказать, что опытные образцы подобных све­тильников на российской фирме «Корвет-Лайтс» были изготовлены и испытаны еше в 2000 г.). На выставке Light-н Building-2002 был показан авт омобиль, все све­тотехническое оборудование которого, включая фары дальнего света, было сделано только па СД. В 2001 г. несколько ведущих фирм-изготовителей СД в комнате площадью около 50 м2 соорудили осветительную уста­новку. оснащенную 14000 СД. На большом столе. тля заседаний этой установкой создается освещенность до 750 лк, реі-улируемая пе только по уровню, по и по цветности.

Другие области применения СД: оптическая связь, аварийное и эвакуационное освещение, шахтное осве­щение и многое другое.

В табл. 3.50 приведены параметры СД. достигнутые к 2004 г.

На рис. 3.125—3.130 показаны светодиоды, мощные светодиодные модули и образцы ОП. Примеры ОУ с СД приведены в разделе 13.