ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Светодиодные источники повышенной яркости и белого света

Острая потребность в широкой номенклатуре информационных экранов, дисплеев, освети­тельных приборов обусловливает необходимость создания особо ярких светодиодов (ОЯ СИД) различной цветовой гаммы, в том числе белого свечения.

Зеленые, белые, синие ОЯ СИД изготовляются на структурах МЗаМ. Они имеют суще­ственно большие прямые падения напряжения £/пр по сравнению с красными, желтыми и оранжевыми (табл. 4.5). Необходимость ограничения прямого тока объясняет целесообраз­ность питания СИД от источников тока.

Для каждой конструкции СИД характерна определенная диаграмма излучения. Некор­ректно говорить о силе света, не определяя угол излучения, и наоборот. Следует обращать внимание, на каком уровне от 1Уюи фиксируется полный угол излучения.

Дисперсия излучения не измеряется для каждого светодиода, поскольку это слишком трудоемкий процесс. В реальности наблюдаются значительные отклонения от справочных данных, особенно в случае узконаправленных (2()т < 10°) СИД. Типичная дисперсия для СИД типов КИПД87, КИПД89 и КИПД91 приведена на рис. 4.13

Рис. 4.13. Типичная диаграмма излучения

При выборе ОЯ СИД особое внимание уделяют типу колбы и конструкции. Колба должна быть прозрачной, если:

- требуется максимальная сила света при сравнительно небольшом (30°) угле излучения;

- СИД используется с вторичной оптикой (цветными и матовыми фильтрами) или в ка­честве локального исправления источника света, например как фонарик;

- прозрачная колба используется в СИД всевозможных подсветок и светодиодов.

Колба должна быть матовой, если СИД мультицветный, окрашенной в цвет свечения кристаллов для всех сигнальных СИД, а также для ОЯ СИД, применяемых в изготовлении таблобегущих строк и др., использующих эффект контраста СИД на темном фоне. В случае матовых СИД возможен эффект паразитной засветки солнечными лучами (фонтом-эффект). В табл. 4.6 приведены параметры распространенных сигнальных СИД. С точки зрения экономии места на лицевой панели прибора или устройства выгодно вместо нескольких, на­пример, красного и зеленого, применять один мультицветный СИД круглой или прямо­угольной формы. Таблица 4.6. Основные характеристики сигнальных светодиодов
	Угол обзора, град.
Конструктив, диаметр, наименование
Цвет сечения (К, нм)
Красный (660)
Желтый (590)
3 мм, КИПД42	5...100	40
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)
Красный (660)
Низкопрофильные СИД, 5 мм, КИПД88	Желтый (590)
60
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)
10...100
Красный (660)
Желтый (590)
5 мм, КИПД40
40
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)
1...20
Красный (660)
Плоские СИД, 10 мм, КИПМ15	Желтый (590)
30
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)
Красный (660)
Прямоугольные СИД, 2,2x5 мм
Желтый (590)
50
1...100
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)
Красный (660)
Желтый (590)
Многокристальные СИД, 6 мм, КИПМ25
120
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)
Двухцветные СИД, 5 мм, КИПД41
1...50	60
10,20
1-, 2-, 4-, 6-кристальные, 20 мм, КИПМ 20
Желтый (590)
1...100	120
Желто-зеленый (570)
Зеленый (565)

Параметры особо ярких СИД красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе приведены в табл. 4.7. Они используют окрашенные рассеивающие линзы, излу­чающие световой поток, достаточный для изготовления недорогих информационных табло. Потенциальные возможности высокоэффективных структур позволяют получать силу света порядка 2 кд при токе не только 20 мА, но и 10 мА, что увеличивает надежность изделий на основе СИД.

Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям — увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в работу совет­ских ученых, в частности Ж. И. Алферова, еще в 1970-е гг., разработавшего так называемые многопереходные двойные гетероструктуры, позволяющие 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.

Исследование других гетероструктур привело 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 длинной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют квазимонохроматическим.

Современный мировой уровень технологий производства ОЯ СИД позволяет повсеме­стно заменять лампы накаливания более надежными и малопотребляющими источниками

Света. Мировые лидеры по производству СКД, такие фирмы, как Nichia и Lumileds, заявля­ют, что век ламп накаливания на исходе (им осталось жить менее 10 лет).

Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 30 лм/Вт, в то время, как красные светодиоды сегодня дают 30 мл/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50 мл/Вт для красной и даже 65 мл/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд — для жел­то-оранжевых светодиодов планка 100 мл/Вт уже взята.

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Эту проблему решил в 1990-е гг. Ш. Накамура из компании Nichia Chemikal (а позднее и специалисты Hewlett Packard) 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 70...90 мл/Вт).

Изобретение синих светодиодов сделало возможным создание светодиодов белого света. На данный момент существуют три способа получения белого света с помощью светодиодов.

Первый из них — смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды раз­ных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

На рис. 4.14 показана зависимость спектральной плотности излучения от длины волны, необходимая для получения белого света путем смешивания в определенной пропорции из­лучения красного, зеленого и синего светодиодов.

Основой более дешевого и распространенного светодиода белого света является полу­проводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460...470 нм (си­ний свет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (ит­трий — гадолиниевых гранатов), активизированный Ge3+, излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части.

На рис. 4.15 проиллюстрировано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.

Такие светодиоды намного дешевле треулфисталълыу., обладают хорошей ■цветопереда­чей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания.

Еще один метод получения белого света — возбуждение трехслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ СИД).

На рис. 4.16 показано получение белого света с помощью светодиода и Ж/Д-люминофора.

Кристалл светодиода — практически точечный источник света, поэтому корпус мо­жет быть 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 теплоты от кри­сталла. Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный пятимилли­метровый корпус.

Световая отдача белого светодиода Luxeon III при номинальном прямом токе 1„р = 0,7 А составляет 25 мл/Вт, световой поток при этом равен 65 лм.

Светоотдача Luxeon III уже превосходит светоотдачу классических и галогенных ламп накаливания, и в ближайшее время компания Lumileds Lighting планирует вплотную подойти к светоотдаче люминесцентных ламп 80... 100 лм/Вт.

Тесты к главе 4

4.1. Укажите, какая длина волны А, соответствует видимой области света:

А) 0,1 мкм; б) 0,5 мкм; в) 1 мкм; г) 2 мкм?

4.2. Какое напряжение пробоя {/проб типично для светодиодов:

А) 2 В; б) 10 В; в) 20 В; г) 40 В?

4.3. От чего зависит частота излучения светодиода:

А) напряжения;

Б) прямого тока;

В) ширины запрещенной зоны;

Г) обратного напряжения?

4.4. При каком напряжении светодиод эффективно излучает свет:

А)иобр = 5В; б)ипр = 5В; в)иобр = 2В; г)ипр = 2В?

4.5. Укажите номер, который соответствует красному СИД (рис. 1):

А) СаАвбоР«:

Б) СаА835Р65К;

В) ОаАвиРвбЫ;

Г) ОаРЫ?

4.6.

Укажите кривую, которая соответствует оранжевому СИД (см. рис. 1).

4.7.

Какая конструкция отличается простотой, но имеет малые значения коэффициента вывода оптического излучения (рис. 2).

4.8. Какие конструкции отличается хорошим коэффициентом вывода оптического излучения (см. рис. 2)?

4.9.

Какие конструкции используют пластмассовые линзы, по­вышающие эффективность вывода оптической энергии (см. рис. 2)?

4.10.

Какая конструкция улучшает диаграмму направленности торцевого излучения (см. рис. 2)?