Устройства на светодиодах, и не только

Температура в жизни и работе светодиодов

18

www. finestreet. ru

Температура в жизни и работе светодиодов

Часть 2

Температурные зависимости параметров светодиодов

Колориметрические характеристики

Зависимости колориметрических характе­ристик светодиодов от изменения температу­ры получены методом измерения спектраль­ного состава их излучения с помощью установ­ки, приведенной на рис. 3 (см. «КиТ» № 9’2005, с. 50). Являясь информативной и показатель­ной частью многомерной системы парамет­ров светодиодов, эти зависимости важны как с практической точки зрения их использова­ния в устройствах, так и с точки зрения оп­ределения качественных показателей излуча­ющих структур или примененных в тех или иных светодиодах кристаллов. Наибольшее влияние на уход этих параметров при изме­нении температуры будет оказывать процесс, протекающий в области пространственного заряда и описанный формулой (1).

Однако существует также утверждение о том, что излучающую структуру стоит рас­сматривать не как единую область с флукту­ацией ширины запрещенной зоны Eg, а как схему, где выполнено параллельное включе­ние множества микроскопических р-п-пере - ходов со своими, отличающимися друг от друга значениями Eg1, Eg2... Egn. Набор та­ких р-п-переходов и формирует все спект­ральное распределение кристалла, внося свой вклад в виде отдельной длины волны (моды) и соответствующей амплитуды излучения. Подобная модель излучающей структуры хо­рошо объясняет изменение параметров спек­тра с температурой, когда изменения шири­ны запрещенной зоны каждого элемента при­водят к пропорциональному изменению интенсивности излучения на своей длине вол­ны. Точно такое же объяснение применимо и для изменения приложенного внешнего электрического поля (прямого напряжения), которое, кстати, будет меняться обязательно, в соответствии с зависимостями, показанны­ми на рис. 4-8 (см. «КиТ» №9’2005, с. 50-51). При повышении Uf будут включаться малые р-п-переходы с наибольшими Eg, что увели­чит вклад коротковолновых составляющих в спектр. При этом рост амплитуды длинно­волновых компонентов, уже включенных в работу малыми Uf на экспоненциальном участке вольт-амперной характеристики, бу­дет значительно меньшим из-за явления на­сыщения и ограниченного их количества. При определенном Uf первый процесс будет доминировать над вторым. Этим объясняет­ся характерная несимметрия спектрального распределения излучения, определяющаяся положением центроидной длины волны спек­тра при малых плотностях тока, выравнива­ющаяся при их увеличении или при измене­нии температуры.

В первом приближении количественный состав переходов с различными значениями Eg будет определяться гауссовским распреде­лением относительно средних значений Eg для данной структуры, что и можно заметить при рассмотрении вида формы кривых спек­трального распределения как результата сло­жения двух функций: упомянутой выше и функции распределения плотности запол­нения Ферми-Дирака. Таким же образом со­став спектра излучения позволяет судить о равномерности распределения легирующей примеси в слоях полупроводникового мате­риала и наличии посторонних включений, что, по сути, и определяет качество излучаю­щего кристалла и долговечность светодиода.

Сохраняя обозначенное ранее в первом пункте условное деление структур по цвету и составу (InGaN/AlGaN/GaN — синие и зе­леные, AlInGaP/GaP — красные и желтые), рассмотрим приведенные на рис. 17-21 зави­симости колориметрических параметров от температуры. Диаграммы справедливы для плотностей тока через кристалл 20-50 A/см2 (прямой ток через светодиод со стандартным кристаллом 300x300 мкм составляет 15-40 мА). Зависимости при других плотностях тока бу­дут отличаться от приведенных из-за соот­ветствующего изменения теплового дейст­вия тока.

Из рис. 17 хорошо видно, как изменяется и смещается спектр излучения при измене­нии температуры. Можно заметить, что все изменения происходят в заданном соответ­ствии с описанными теоретическими пред­положениями. Однако приведенные здесь функции распределения светового потока по абсолютной длине волны F(X), как правило, не применяются для описания характеристик излучения светодиодов напрямую, а служат в основном исходным материалом для рас­четов большого числа производных величин. Прежде всего, это связано с переходом абсо­лютных энергетических единиц к светотех­ническим, зависящим от кривой видности глаза V(X) и образующимся путем нахожде­ния интегрированной доли исследуемого спе­ктра в общем интеграле функции V(X). При­веденные ниже графики зависимостей неко­торых величин от температуры расположены в порядке возрастания информативности для визуальной оценки излучения светодиодов.

Для некоторого пояснения стоит рассмот­реть рис. 18 с деталировкой спектра излуче­ния синего светодиода. Максимальная длина волны Lmax показывает максимальную амп­литудную составляющую спектра, по кото­рой можно определить положение пика функ­ции спектрального распределения на шкале длин волн. Длина волны Lcen (центроидная или центральная) более информативна и, яв­ляясь «центром масс» интеграла функции F(X), может дать понятие о симметрии кри­вой спектрального распределения в соответ­ствии с тем, насколько она отличается от Lmax. Это отличие обозначит фактор неиде - альности спектрального распределения как следствие нарушения гауссовского распреде­ления переходов с различными значениями Eg. В идеальном случае Lmax и Lcen совпадут.

Наиболее часто в спецификациях встреча­ется полуширина спектра излучения по уров­ню 0,5 от максимума амплитуды. Эта вели­чина получается как разница значений длин волн правого и левого спадов спектральной характеристики излучения, соответствующих указанному выше уровню амплитуды. Полу­ширина функции F(X) позволяет судить о со­ставе спектра излучения и степени монохро­матичности (чистоты) цвета как качествен­ного показателя излучения светодиода. На графике рис. 18 наглядно видно положе­ние описанных величин, рассчитанных зара­нее из приведенного там спектра, понимание смысла которых позволит нам дальше по­дробно рассмотреть их зависимости от тем­пературы и представить, как это выглядит в зрительном восприятии излучения свето­диодов глазом человека.

Особо стоит отметить относительную спек­тральную световую эффективность излуче­ния (оптический коэффициент, измеряемый в лм/Вт). Этот параметр тоже интегральный, и именно он осуществляет связь абсолютных энергетических характеристик излучения с функцией V(X), когда речь идет о световом потоке и мощности светового излучения.

рубрика

19

компоненты

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

н

в

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

н

ш

Рис. 17. Относительное спектральное распределение излучения светодиодов при различных температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных б) желтых, в) зеленых, г) синих

г

ВД = F(Ta)/K(Ta).

Температура в жизни и работе светодиодов

(5)

Рис. 18. Деталировка спектра излучения синего светодиода.

Показаны основные физические параметры, характеризующие спектр

780

Здесь E(X) — относительное спектральное распределение светодиода, а V(X) — относи­тельная спектральная световая эффектив­ность (кривая видности глаза).

Однако все же стоит отметить, что этот параметр включает в себя интегральную сумму всех отдельных описанных величин и поэтому служит хорошей характеристи­кой качественных показателей спектра. А значит, его поведение при изменении тем­пературы, показанное на рис. 19 синей ли­нией на всех графиках, вместе с изменени­ем полуширины спектра позволит четко представлять картину уходов цветовых и мощностных (имеется в виду квантовый выход или оптическая мощность) характе­ристик светодиодов, особенно если связать

Коэффициент К показывает, какая интег­ральная, «весовая» доля исследуемого спек­тра присутствует в излучении относитель­но всей «массы» — кривой видности V(X). Формула (4) для нахождения этого коэффи­циента хорошо известна и не нуждается в комментариях.

-360

E(X)V(X)dk

'780

К =683-------------- —------------------- .-------- (4)

E(X)dk

г 360

эти зависимости с люмен-амперными, по­казанными на рис. 11-14. Изменение пара­метров спектра от температуры, соотнесен­ное с изменением светового потока даст функцию зависимости оптической мощно­сти светодиода от прямого тока If при раз­ных температурах — формула (5).

На рис. 20-21 рассмотрены зависимости ко­лориметрических параметров от температу­ры, которые наиболее часто указываются в спецификациях. Это имеющие малый фи­зический смысл доминирующая длина вол­ны Ldom и координаты цветности. Для более удобного чтения графиков приведена табли­ца 1, в которой собраны все обсуждающиеся здесь колориметрические характеристики.

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 19. Спектральная эффективность излучения и ширина спектра излучения по уровням 0,1 и 0,5 светодиодов при различных температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных б) желтых, в) зеленых, г) синих

Происхождение этих величин также доста­точно известно, и они, будучи полученными расчетным способом из спектра и функции V(X), пропорционально изменению характе­ристики спектрального излучения также бу­дут изменяться с температурой. Другими сло­вами, практически все исследования спектраль­ного состава излучения, описанные выше, собственно и направлены на получение этих «нефизических» характеристик, регламенти­рованных МКО в 1931 году для описания ко­лориметрических свойств излучения. Но для пользователей светодиодов именно они явля-

ются наиболее важными для сравнения и при­менения. Для наглядности описания коорди­нат цветности на графики рис. 21 дополнитель­но нанесены зоны ограничения применения световых сигналов по цвету в соответствии со следующими нормативными документами:

• ГОСТ 25695-91 «Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры»;

• ГОСТ 24179-80 «Светофильтры, свето­фильтры-линзы, линзы, рассеиватели и от­клоняющие вставки стеклянные для сиг­нальных приборов железнодорожного транспорта»;

Таблица 1. Характеристики спектрального состава излучения и колориметрические параметры светодиодов в зависимости от температуры. Цвет заливки соответствует цвету свечения светодиодов

Параметры

Относительная

t, °С

X

Y

Z

Ldom,

нм

Lmax,

нм

Lcen,

нм

L1,

нм

L2,

нм

FWHM 0,5, нм

L1,

нм

L2,

нм

FWHM 0,1, нм

светоая эффективность, K

55

0,71056

0,2865

0,0045

636,03

664

663

653

674

21

635

686

51

49,086

25

0,7093

0,288

0,0027

633,5080107

661

660

650

670

20

633

682

49

56,676

-60

0,7

0,299

0,001

625,251058

643

641

634

651

17

618

659

41

129,634

Grad, N/°C

0,0937

0,1826

0,1913

0,0348

0,0870

0,7004

55

0,604

0,393

0,003

595,6011467

602

6

о

о

592

609

17

575

618

43

435,949

25

0,59

0,407

0,003

592,9375975

598

596

589

605

16

574

613

39

463,505

-60

0,548

0,451

0,001

585,539429

588

587

581

594

13

571

601

30

530,305

Grad, N/°C

0,0875

0,1217

0,1130

0,0348

0,1130

0,8205

55

0,162

0,688

0,15

522,2637086

517

520

499

540

41

482

567

85

452,686

25

0,154

0,686

0,16

520,5545243

515

519

499

538

39

482

565

83

443,603

-60

0,128

0,657

0,215

514,2227128

511

514

496

532

36

481

558

77

401,824

Grad, N/°C

0,0699

0,0522

0,0522

0,0435

0,0696

0,4423

55

0,132

0,061

0,807

469,0443951

463

465

453

475

22

442

494

52

67,777

25

0,133

0,056

0,811

468,1548041

462

464

453

473

20

442

491

49

63,7

-60

0,136

0,047

0,817

466,1106831

460

462

452

469

17

444

486

42

56,386

Grad, N/°C

0,0255

0,0261

0,0261

0,0435

0,0870

0,0991

• Официальные рекомендации Международ­ной комиссии по освещению (МКО), пуб­ликация МКО № 2.2 (ТС-1.6). Цвета свето­вых сигналов. 1975.

Очевидно, что такой подход к колоримет­рическим параметрам светодиодов для боль­шинства устройств на их основе совершен­но не требуется, но в данной статье мы рас­сматриваем практически все возможные, и в том числе определенные указанными стандартами, применения светодиодов на практике. Далее будет описана причина появления подобных стандартов и важность их соблюдения.

Влияние температурных зависимостей характеристик светодиодов на восприятие глазом человека результирующего излучения

Все параметры и характеристики светоизлу­чающих диодов, как зависящие от температу­ры, так и не зависящие, предназначены исклю­чительно для того, чтобы быть замеченными именно глазом. Поэтому формирование излу­чения, ориентированного на глазной аппарат, должно быть всецело подчинено законам вос­приятия света глазом. Однако очень подроб­ное рассмотрение физических и психологиче­ских процессов восприятия не является целью этой статьи, хотя и будет затронуто. Поэтому,

21

рубрика компоненты

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Температура в жизни и работе светодиодов

E

Температура в жизни и работе светодиодов

И

Рис. 20. Доминирующая Ldom, максимальная Lmax и центральная Lcen длины волн излучения светодиодов при различных температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных б) желтых, в) зеленых, г) синих. Цифрами на вставках указан усредненный градиент изменения Ldom вуказанном диапазоне температур

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

И

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 21. Координаты цветности излучения светодиодов на Локусе МКО (1931) при температурах окружающей среды от -60 до +55 °С: а) красных, б) желтых, в) зеленых, г) синих. Показаны границы зон цветностей, регламентированных стандартами

Температура в жизни и работе светодиодов

22

компоненты

(6)

возвращаясь к теме, стоит лишь обсудить, как описанные изменения характеристик светоди­одов с температурой будут влиять на воспри­ятие изображения, сформированного с помо­щью этих квазимонохроматических источни­ков света, глазом человека.

Сначала следует отметить, что глаз челове­ка является самым совершенным фотометри­ческим прибором в своем диапазоне длин волн. К его достоинствам надо отнести недосягае­мую долговечность с сохранением всех функ­ций, и если потребуется, то и их самовосста­новлением, большой динамический диапазон освещенностей, при которых сохраняются все параметры цветопередачи и разрешения изо­бражения, автоматически управляемая опти­ка с широким диапазоном изменения фокус­ного расстояния и диафрагмы, высокое разре­шение изображения (угол зрения 1°) наряду с углом бокового обзора практически в 180°, самый большой рабочий диапазон длин волн относительно других жителей планеты, высо­кая скорость передачи данных в центр по их обработке наряду с большим их объемом, не­превзойденная интеграция всего прибора в ма­лом объеме и ничтожное потребление энер­гии, и, наконец, что выгодно отличает его в све­те тематики описываемого эксперимента от предмета нашего исследования — светоди­ода, независимость параметров от температу­ры окружающей среды ввиду постоянного вы­сокоточного термостатирования в течение всей жизни владельца «устройства», которая впол­не может превышать 100 лет.

Также следует всегда помнить о том, что глаз человека предназначен для использова­ния в условиях естественных освещенностей Земли и, адаптируя искусственный источник для необходимого восприятия его глазом, на­до учитывать особенности физики и характе­ристик этой освещенности. Фотобиологиче - ские процессы на Земле происходят в основ­ном в диапазоне длин волн от 300 до 900 нм. Естественен вопрос о том, почему для зрения не доступны более короткие и длинные вол­ны? Ответ содержится в величине их энергии. Эта энергия определяется по известной со школьной программы формуле:

E = Не/Х.

Здесь Е — энергия кванта, Н — постоянная Планка (1,58х10-34кал с; 1 кал — 4,2 Дж), е — скорость света, 3х108 м/с, Х — длина волны светового излучения.

Для длин волн короче 300 нм удельная энер­гия превышает 95 ккал/моль. При такой энер­гии возникают повреждения молекул белков и нуклеиновых кислот. У волн длиннее 1800 нм, напротив, энергии оказывается не­достаточно, чтобы вызвать в светочувстви­тельном пигменте (родопсине) фотохимиче­ский процесс. Поэтому допустимая энергия светового восприятия большинства живых су­ществ лежит в пределах от 15 до 65 ккал/моль, что соответствует диапазону длин волн от 440 до 1900 нм. Зрение человека реализуемо в более коротком диапазоне от 380 до 750 нм. Лучи, длина волны которых выходит за ука­занные пределы, для нас невидимы.

Подобные факты легли в основу формиро­вания системы восприятия цвета и определе­ния пороговых освещенностей глаза, которые необходимы для достоверной оценки цвета раз­дражителя в виде сигнала светофора, например, или изображения видеоэкрана при различных условиях внешней освещенности. Междуна­родная комиссия по освещению (МКО) в офи­циальных рекомендациях 1975 года для каж­дого цвета сигнала предлагает по две области. Одна область определяется достаточно широ­кими границами цветностей, а другая являет­ся более строгой. Область с широкими грани­цами цветностей выбрана в соответствии с чис­лом используемых в сигнальных системах различных цветов и возможным влиянием внешних источников света. Более строгие гра­ницы областей сигналов определяют более уз­кие области цветности, которые обеспечива­ют высокую вероятность распознавания цве­та сигнала в заданной сигнальной системе как для наблюдателя с нормальным зрением, так и для наблюдателя с дефектами цветового вос­приятия. Данные рекомендации относятся к световым сигналам, используемым на всех видах транспорта — автомобильном, желез­нодорожном, морском, воздушном.

Значительное сужение областей цветности стандартами диктует особые требования к ис­точникам излучения, формирующим сигна­лы. Совершенно очевидно, что это относится и не только к ответственным устройствам: фи­зика восприятия одинакова, поэтому, безус­ловно, все сказанное будет верно для любого источника света. Как видно из графиков на рис. 21, не все устройства на светодиодах могут реализовать обозначенные требования именно из-за ухода цветовых параметров при изменении температуры. Это является значи­тельной преградой к использованию светоди­одов, однако опыты с изучением восприятия сигналов на светодиодах, параметры которых выходят за пределы стандартов, показали, что к квазимонохроматическому излучению све­тоизлучающих диодов следует подходить осо­бо, лишь отчасти опираясь на стандарты, ко­торые были разработаны для восприятия цвет­ных сигналов от ламп со светофильтрами. Прежде всего, это объясняется узкополоснос - тью излучения светодиодов по сравнению со светофильтром и лампой (ширина полосы меньше приблизительно в 4-5 раз). Это обсто­ятельство может сильно изменить границы об­ластей цветности достоверного восприятия [4].

Доказано, что при условии одинаковой ос­вещенности глаза сигналом на лампе с филь­тром и светодиодах дальность видимости и вероятность распознавания сигнала на све­тодиодах значительно повышаются еще и из - за равномерного заполнения апертуры сиг­нала светофора светодиодами, что сильно увеличивает излучающую площадь, тогда как в прежнем варианте можно увидеть лишь про­екцию нити накала лампы [4]. Оказалось, что несмотря на большое расстояние наблюдения (1000 м), когда оба исследуемых сигнала явля­ются точечными, этот факт сильно повлиял на восприятие. То же самое было замечено и при исследованиях дальности обнаружения световых сигналов морской навигации на рас­стоянии до 12 морских миль. Светодиодный фонарь плавучего буя был отчетливо виден, и можно было достаточно точно определить его цвет даже с такого расстояния, несмотря на то, что из-за очень малого уровня освещен­ности сетчатки, глаз переходит в область ма­лых сигналов, где доминирует палочковое зре­ние, не позволяющее достоверно различать цве­та. Важность открытия этого факта достаточно велика: в конечном итоге правильность опре­деления цвета сигнала светофора определяет безопасность движения и жизни человека.

Однако температурные уходы цветовых па­раметров светодиодов пока остаются значи­тельными и обязательно требуют внимания и коррекции. Изменение спектрального соста­ва излучения, показанное на рис. 17, приво­дит к включению для восприятия различных видов фоторецепторов (палочек и колбочек), которые существенно отличаются чувстви­тельностью и поэтому требуют различных ин­тенсивностей для одинаково верного воспри­ятия различающихся по спектру и, соответст­венно, по цвету излучений. Именно с этим связано и большое количество несоответст­вий в цветовом восприятии изображений, формируемых светодиодными источниками, которые могут изменять свои характеристи­ки с температурой. Здесь уместно говорить как о нарушении баланса белого цвета, так и об из­менении цветов отдельных полей.

Но цвет — это еще не все, что составляет проблему в работе светодиода с его темпера­турными уходами параметров. Возможности глаза ограничены не только спектральным ди­апазоном электромагнитных волн, но и опре­деленным диапазоном интенсивностей света. Сетчатка глаза состоит из четырех видов ре­цепторов (три вида колбочек и один вид па­лочек) с разной чувствительностью как к ин­тенсивности света, так и к его спектральным характеристикам. «Матрица» глаза содержит 6,5 миллионов колбочек и 110-120 миллио­нов палочек. Самые лучшие современные не­живые аналоги отличаются разрешением на порядок величины меньшим, чем сетчат­ка. Световым потоком управляет диафрагма зрачка, не позволяя рецепторам выходить за пределы динамического диапазона.

Рис. 11-16 (см. «КиТ» № 9’2005, 52-53) ил­люстрируют именно этот эффект, когда, по­падая в одинаковые температурные условия, светодиоды разных цветов по-разному изме­няют свои характеристики интенсивности из­лучения. Наряду с изменением цвета будет наблюдаться еще и изменение яркости, что также искажает первоначальную картину. Разные градиенты такого изменения, как вид-

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

Осевая сил

а света, кд

На СИД

/

С лампой у

с

ила тока, А

--------------------

0,4

1,4

(7)

1,2

0,2

0,6

0,8

Рис. 22. Люмен-амперные характеристики светоблоков, применяемых в железнодорожных светофорах, на основе различных источников излучения. Такую же зависимость будут иметь любые управляемые светильники

Соответственно, в устройствах, где функ­ция яркости источника является основной, например, в том же светофоре, с изменени­ем температуры может измениться как опре­деленная стандартом разница в осевых силах света между сигналами других цветов, так и интенсивность отдельных сигналов (на не­которых температурах — до неприемлемых значений, см. табл. 2).

Оба этих обстоятельства недопустимы и приведут также к нарушению вероятности правильного восприятия.

Также по-иному будут выглядеть и устрой­ства, использующие управление интенсивно­стью свечения светодиодов, где применяется не статическая характеристика (включено - вы­ключено), а управляемая широтно-импульс­ным образом с модуляцией тока или только аналоговым образом. Здесь применима лю- мен-амперная характеристика при различных температурах, показанная на рис. 11-14 (см. «КиТ» № 9’2005, с. 52). Однако следует об­ратить внимание на то, что динамическая ха­рактеристика чувствительности глаза имеет несколько другой вид, и, скорее, приближает­ся к экспоненциальной, при этом не завися от температуры, как мы выяснили ранее. В то же время светодиодная характеристика излу­чения не только представляет собой практи­чески прямую линию, но еще и увеличивает крутизну с уменьшением температуры. Этих проблем не имеет источник света на лампе — ее параметры мало зависят от температуры (рис. 22). Поэтому меняющееся по интенсив­ности излучение светодиодов, функцией из­менения которого является модуляционная характеристика питания, будет воспринимать­ся с существенным отличием от традицион­ных источников на лампах.

Этот момент обязательно отразится на ви­зуальном восприятии устройств на светоди­одах при разных температурах или при про­стой замене ламп светодиодными источни­ками света.

Таблица 2. Нормированная при +20 °С осевая сила света автодорожных светофоров и ее изменение с температурой в случае исполнения на светодиодах. Нижняя графа поясняет изменение соотношений осевых сил света красного и зеленого сигналов на разных температурах

Сила света Iv, кд

Цвет

50 °С

20 °С

-50 °С

Красный R

170

200

290

Желтый Y

255

300

435

Зеленый G

170

200

240

Iv(G)/Iv(R)

0,67

0,67

0,55

но из графиков, приведут к появлению не­равномерности на поле полноцветного изо­бражения, сформированного светодиодами в виде нарушения цветопередачи уже не толь­ко изменением спектрального состава исход­ных цветов, но и изменением их интенсив­ности, которая также входит в известную формулу для белого цвета:

F = rR+gG+bB.

Некоторые вопросы методов компенсации ухода параметров

Изучение всего комплекса температурных зависимостей параметров светодиодов не мо­жет не натолкнуть на поиск способов компен­сации уходов этих параметров. Существует два основных пути построения системы учета и смягчения последствий температурных из­менений. Первый — непосредственно влияю­щий на физические условия работы светодио­дов. Это может быть некая термостабилизация окружающей среды, применение различных комбинаций вентиляции, радиаторов конвек­ционного охлаждения и, наоборот, подогрев при отрицательных температурах. Однако точ­но реализовать поддержание температуры в со­ответствии с приведенными зависимостями светодиодов этими средствами довольно за­труднительно, хотя, если не требуется выпол­нения слишком жестких условий, то наиболее доступно и легко реализуемо. Второй способ касается в основном программно управляемых источников, таких как табло, бегущие строки, полноцветные экраны на светодиодах, где очень заметно любое, даже самое незначительное из­менение характеристики светового излучения. Здесь температурные уходы очень эффектив­но отслеживаются с применением математи­ческого аппарата управляющего программ­ного обеспечения, когда в зависимости от температуры в зоне работы светодиодов, регистрируемой термодатчиком, например, из­меняется модуляционная характеристика све­тодиода. Так, при понижении температуры с це­лью сохранения заданной яркости табло на прежнем уровне возможно уменьшение времени зажженного состояния светодиода (при управлении широтно-импульсным спо­собом) пропорционально зависимостям, по­казанным на рис. 16 (см. «КиТ» № 9’2005, с. 53).

Введя в программу обработки данных фор­мирования изображения указанные характе­ристики по разным цветам, можно добиться стабильной яркости полотна табло при боль-

шом разбросе температур окружающей сре­ды. Дальнейшим совершенствованием тако­го аппарата коррекции может быть и учет цветовых характеристик. Для этого потребу­ется вводить в программу еще и алгоритм вы­числения необходимых соотношений для ин­тенсивностей свечения основных цветов при изменении температуры по формуле (7), со­храняя баланс белого независимо от темпе­ратурного изменения их спектрального со­става, показанного на рис. 17 и в таблице 1. Также, если позволяет система управления, можно воспользоваться не только функцией изменения времени включенного состояния, но и изменить значение тока If в импульсе. Возможно, именно в таком варианте найдет­ся оптимальный режим компенсации уходов параметров в широком диапазоне темпера­тур окружающей среды. ■

Автор выражает особую благодарность за организацию и поддержку экспериментов:

• Владимиру Семеновичу Абрамову, к. т. н.;

• Петру Павловичу Аникину, к. ф-м. н.;

• Валерию Петровичу Сушкову, д. т. н.

Литература

1. Мосс Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир. 1976.

2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1-2. М.: Мир. 1984.

3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN - светодиодов // Светодиоды и лазеры. 2002. № 1-2.

4. Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Никифоров С. Г., Пинчук О. П., Столяревская Р. И. Исследования визуального восприятия красных железнодо­рожных светофоров на основе СИД // Светотех­ника. 2003. № 6.

5. Иваницкий Г. Вернисаж инфракрасных портре­тов // Наука и жизнь. 2005. № 8.

6. Официальные рекомендации Международной ко­миссии по освещению (МКО), публикация МКО № 2.2 (ТС-1.6). Цвета световых сигналов. 1975.

Температура в жизни и работе светодиодов

Часть 1

Сергей НИКИФОРОВ

nikiforov@screens. ru

Статья посвящена исследованиям зависимостей параметров светоизлуча­ющих диодов от температуры окружающей среды. Обсуждается поведе­ние подавляющего большинства электрических, энергетических и коло­риметрических характеристик, зависящих от температуры и составляющих всю систему параметров светодиодов, разъяснен их физический смысл и природа возникновения, а также прослежена связь между характерис­тиками. Приведены практические примеры влияния изменения парамет­ров излучения у светодиодов на его восприятие глазом человека. Предло­жены некоторые методы компенсации уходов указанных характеристик.

1. Природа различных температурных условий работы светодиодов и физические основы причин возникновения изменений их параметров с температурой

Не останавливающийся ни на минуту про­гресс в области совершенствования полупро­водниковых источников света необратимо завоевывает все новые области применения светодиодов и, соответственно, требует от них гораздо большего. Это обстоятельство под­талкивает разработчиков на нетрадиционные решения проблем удовлетворения возрос­ших требований. А для этого необходимо по­стоянно углублять знания в области физики работы светоизлучающих диодов.

Возвращаясь к проблеме продолжитель­ности работы и стабильности параметров светодиодов, стоит обсудить еще одну очень важную сторону этой темы — влияние тем­пературы на характеристики излучения. В большинстве случаев, когда светодиоды участвуют в формировании ответственных сигналов, определенных стандартами, или являются исполнительной частью сис­темы передачи изображения, температур­ным зависимостям всегда есть место при расчетах и проектировании систем, а также при поиске методов компенсации уходов параметров. Важно отметить, что под вли­янием температуры изменяются практиче­ски все фундаментальные характеристики светодиодов, указываемые в спецификаци­ях производителем только при комнатных температурах и составляющие основу для указанного проектирования, в то время как устройства на этих светодиодах, как прави­ло, работают в широком диапазоне темпе­ратур. Знание характера изменения харак­теристик в зависимости от тепловых усло­вий позволит учесть и скорректировать вы­ходные данные указанных устройств на их основе.

Причины возникновения проблемы влия­ния температуры на параметры излучения све­тодиодов в несколько неравных пропорциях разделяется на 2 части — внешние и внутрен­ние факторы изменения тепловых условий функционирования излучающего кристалла. Работа светодиода связана с протеканием электрического тока через р-п-переход кри­сталла и рекомбинацией носителей зарядов. Неоднократно упоминавшееся в публикаци­ях значение КПД светодиода [1], каким бы оно ни было, не может обеспечить работу гетеро­структуры без выделения тепла. Причем, в среднестатистическом светодиоде подавля­ющее большинство потребленной энергии идет именно на нагрев (КПД составляет 12-16%). Поэтому всегда, какой бы ни была температура окружающей среды, существует влияние собственного нагрева кристалла, кри - сталлодержателя и других частей конструк­ции на весь комплекс параметров светодиода. Оно, безусловно, непрерывно накладывается на внешние факторы изменения температу­ры, и прямо пропорционально зависит от ди­намики потребления электрической мощно­сти светодиодом. В итоге получается очень сложная температурная характеристика рабо­тающего светодиода, учитывающая и сочета­ющая все перечисленные факторы. Ввиду сложности учета всех компонентов этой ха­рактеристики проще сопоставить итоги экс­периментов по определению уходов параме­тров с физическими основами работы полу­проводникового излучателя, результатом чего могут стать зависимости параметров вполне реальных светодиодов от температуры.

Поскольку основой светодиода является излучающий кристалл, стоит упомянуть о некоторых температурных особенностях его работы.

Не углубляясь в тонкости процессов, про­исходящих в области пространственного за­ряда излучающей гетероструктуры, состоящей из твердых растворов материалов группы AlnBV, можно сказать, что основным элементом сформированного р-п-перехода является за­прещенная зона, где происходит рекомбина­ция носителей зарядов. Представляя из себя энергетический барьер для зарядов, который они должны преодолеть для того, чтобы реком­бинировать с носителем противоположного знака, запрещенная зона с ее характеристика­ми определяет параметры этой рекомбинации, таким образом формируя характеристики ре­зультатов актов рекомбинации — оптическо­го и теплового излучений. Поэтому темпера­турные зависимости ширины запрещенной зо­ны будут вносить подавляющий по значимости вклад в изменения колориметрических (спек­тральный состав), энергетических и других па­раметров производимого структурой излуче­ния и электрических (прямое напряжение U) характеристик светодиода. Формула (1) пока­зывает пропорциональность функции I(hv) (спектрального состава воспроизводимого структурой излучения) ширине запрещенной зоны Eg и плотности состояния заполнения в зоне проводимости и свободных состояний в валентной зоне в соответствии с законом рас­пределения Ферми — Дирака для электронов и дырок; hv — энергия фотона.

I(hv2~(hv-Eg)1/2 exp[-(hv-Eg)tJT] (1)

Изменение ширины запрещенной зоны с изменением температуры связано с двумя

Температура в жизни и работе светодиодов

(2)

(3)

эффектами: термическим расширением кри­сталлической решетки кристалла и рекомби­нацией с участием кванта теплового излуче­ния — фонона. Влияние термического рас­ширения решетки обеспечивает примерно 25% наблюдаемой температурной зависимо­сти. Теоретический расчет вклада, даваемого этим эффектом, показывает, что ширина за­прещенной зоны при высоких температурах меняется линейно с температурой. У боль­шинства полупроводников значение Eg уменьшается с ростом температуры (рис. 1).

Большой вклад в квантовую (энергетичес­кую) эффективность излучения будет вносить и носящая конкурирующий характер, безиз - лучательная рекомбинация, зависящая от тем­пературы приблизительно так, как показано на рис. 2. Квантовая эффективность определя­ется как отношение числа возбужденных но­сителей, дающих вклад в излучение, к полно­му числу носителей, участвующих в рекомби­нации, и может быть выражена формулой:

Rr /R

где Rr и R — скорости излучательной и пол­ной рекомбинации.

Другими словами, внутренний квантовый выход излучения nq — число излучаемых фо­тонов на одну электронно-дырочную пару. В гетероструктурах величина nq теоретичес­ки может быть близка к 100%. Для практики, однако, важнее внешний квантовый выход излучения це — отношение числа излучае­мых во внешнюю среду квантов света к чис­лу электронно-дырочных пар, пересекающих р-п-переход. Он характеризует преобразова­ние электрической энергии в световую и, по­мимо внутреннего квантового выхода (nq), учитывает коэффициент инжекции пар в ак­тивную область (у) и коэффициент вывода света во внешнюю среду по (формула 3).

Пе = ЩЧо

Данные зависимости выведены для идеа­лизированных структур. Безусловно, на прак­тике влияние внешних факторов гораздо больше и носит более выраженный характер из-за наличия дефектов, неизбежно возника­ющих при эпитаксии (выращивании крис­таллов) в виде неравномерности распределе­ния легирующих примесей и при монтаже кристаллов (контактные явления). Как пра­вило, подобные эффекты накладываются друг на друга и лишь усугубляют результат изменения температуры.

2. Температурные зависимости параметров светодиодов

Электрические характеристики

Столь обширное влияние температуры на подавляющее число характеристик свето­диодов, которые взаимосвязаны, стоит раз­делить на группы по природе возникновения и результату воздействия — приблизитель­но так, как формируются спецификации на светодиоды.

Первой группой параметров являются эле­ктрические: зависимости прямого напряже­ния Uf светодиода от температуры Та при не­изменном токе f. Здесь же рассмотрим и из­менение потребляемой энергии Pdis, которая также является функцией температуры.

Эти параметры будут зависеть в основном от характера изменения ширины запрещен­ной зоны р-п-перехода. Здесь и далее целесо­образно рассматривать диапазон температур окружающей среды, внутри которого сохра­няется работоспособность светодиода и верны приведенные значения величин. Как правило, этот диапазон не бывает менее -60 и более +60 °С. Подобные температуры характерны и для рабочего диапазона, установленного для различных узлов электронной аппаратуры, вы­полняющих функцию управления режимом светодиодов.

Представляя прямое напряжение Uf свето­диода как функцию от температуры Uf (Ta) (рис. 4-8), необходимо иметь один фиксиро­ванный параметр, относительно которого из­меняется напряжение, поэтому здесь речь пойдет о некотором семействе зависимостей

Uf( Ta) при различных прямых токах If. Отли­чия в поведении кривых этого семейства бу­дет состоять в основном в различных степе­нях теплового действия этого тока и различ­ной степени охлаждающей способности кристаллодержателя (конструкции светоди­ода), которая не линейна по отношению к из­менениям температуры и If. Однако на низ­ких температурах это сказывается мало: бо­лее влиятельным фактором оказывается внешняя низкая температура, а перегрев кри­сталла относительно нее (Ta) становится ме­нее заметным и не приводит к существенной разнице в поведении кривой Uf(Ta), несмот­ря на увеличивающуюся потребляемую эле­ктрическую мощность (график на рис. 10). Это можно объяснить значительным увели­чением внешнего квантового выхода (рис. 2) при этих температурах, что приводит к уменьшению выделения тепла при реком­бинации. В то же время, на высоких темпе­ратурах увеличение температуры Та приво­дит к цепной реакции: снижается nq (рис. 2), уменьшение Uf не приводит к пропорцио­нальному уменьшению Pdis, охлаждающая способность кристаллодержателя (конструк­ции светодиода), значительно снижается из - за малой разницы внешней и внутренней температур, исчерпывая в пределе лимит теп­лоемкости, в результате, с дальнейшим рос­том температуры градиент напряжения уменьшается, стремясь к минимуму и явля­ясь следствием уравновешенности динами­ки внутреннего и внешнего нагрева.

Ввиду существенной разницы во многих показателях у кристаллов с различными раз­мерами запрещенных зон, материалами со­става структуры и подложки для каждой груп­пы светодиодов будут не только свои зависи­мости Uf(Ta), но и функции других величин, поэтому удобно условно разделить это мно­гообразие на четыре группы по цвету излуче­ния и составу структуры: InGaN/AlGaN/GaN — синие и зеленые, AlInGaP/GaP — красные и желтые; отдельную группу составят свето­диоды на основе GaAs с доминирующей дли­ной волны 642 нм. Для обсуждения зависимо-

142

компоненты

рубрика

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 4. Относительная зависимость Uf(Ta) светодиодов на основе Al0 35Ga0 65As с Eg = 1,98 эВ и Xdom = 642 нм (отн. Та = 20 °C) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях If

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 3. Блок-схема экспериментальной установки для изучения температурных зависимостей светодиодов

стей последующих величин будет принято та­кое же деление.

Приведенные на рис. 4-8 графики показы­вают, как изменяется прямое напряжение Uf при различных прямых токах If у упомянутых структур. Градиент напряжения также зависит от температуры, и его зависимость показана на нижней части рисунков, а абсолютные зна­чения отсчитываются по вспомогательной (правой) оси Y. Все зависимости выведены для реальных светодиодов на основе эксперимен­тальных данных и с учетом расчетов возмож­ности теплопередачи примененных кристал - лодержателей. При измерениях обозначенных характеристик на больших плотностях тока применялся светодиод на основе кристалло - держателя, разработанного для применения в приборах с рабочим током до 80 мА (плот­ность тока р = 100 А/см2) через кристалл стан­дартного размера 250x300x250 мкм, при токах до 30 мА (плотность тока до р = 40 А/см2) изме­рения проводились как для такой конструкции кристаллодержателя, так и для стандартной, применяемой в подавляющем большинстве све­тодиодов с эпоксидной оптикой диаметром 5 мм. В обоих типах светодиодов были при­менены соответствующие излучающие крис­таллы одинаковых конструкций для обеспе­чения чистоты эксперимента в части различ­ных тепловых свойств разных конструкций: AlInGaP/GaP для красных и желтых фирмы Lumileds на подложке GaP, InGaN/AlGaN/GaN для синих и зеленых фирмы CREE MBright на подложке SiC.

Результаты экспериментов показали хоро­шее совпадение температурных зависимос­тей прямого напряжения Uf светодиодов раз­личных конструкций при указанных плотно­стях прямого тока р, поэтому на приведенных графиках типы светодиодов не дифференци­рованы. Вольт-амперные характеристики из­мерялись при нахождении образцов в термо­камере (рис. 3), внутри которой была достиг­нута заданная температура окружающей среды (Ta) двумя методами: импульсным дей­ствием тока, исключающим разогрев актив­ной области кристалла и при статическом по­стоянном токе If, вносящем свой вклад в на­грев. В данной статье обсуждаются результа­ты второго способа измерения, как наиболее интересного для пользователей с практичес­кой точки зрения.

Расположенный внутри термокамеры све­тодиод подключен к источнику питания с воз­можностью программно изменять ток в диа­пазоне 0-100 мА с минимальным шагом 0,1 мА, и необходимым временем задержки между включением дискретов (возможность импульсного режима), позволяющий также формировать обратное напряжение на излуча­теле до 30 В для измерения обратного тока Ir. Фиксированным параметром, относительно которого строятся все зависимости, являет­ся ток через кристалл If, поэтому он жестко стабилизирован и его величина известна с вы­сокой точностью во время каждого измере­ния остальных характеристик. Вольт-ампер - ная характеристика измерена с шагом изме­нения тока при каждой температуре 0,1 мА (1000 значений для 100 мА).

Порядок измерений был выбран следую­щим. Температура внутри камеры повыша­лась до верхнего исследуемого предела (+55 °С) и выдерживалась таковой в течение получаса для устранения переходных про­цессов. После этого вступала в действие ус­тановленная программа, обеспечивающая следующую последовательность. Измерялась вольт-амперная характеристика в импульс­ном режиме. Далее на светодиод подавалось напряжение питания с током первого дис­крета измерения статических характерис­тик — 1 мА. По истечении 30 с (время ста­билизации параметров) происходило изме­рение спектра излучения с максимальным временем накопления несколько секунд (для обеспечения наибольшей точности показа­ний), одновременно спектрофотометр по­лучал информацию об относительной ин­тенсивности излучения, а внутренний вольтметр источника питания присваивал значение прямого напряжения установлен­ному току. Абсолютные значения силы све­та и ее пространственное распределение фик­сировал двухкоординатный гониофотометр, поворачивающийся на известный угол от­носительно оси светодиода в камере с шагом 0,1°. При необходимости снималось несколь­ко плоскостей диаграмм излучения светоди­ода для наиболее точного расчета светового потока и угловых характеристик. Далее из­мерялась вольт-амперная характеристика в режиме постоянного прямого тока с уче­том разогрева.

Результаты измерения записывалось в ви­де файла, содержащего информацию о тем­пературе, при которой было сделано измере­ние. Основные типы светодиодов по этой программе для всех перечисленных параме­тров также были измерены с применением импульсного режима питания с неразогрева­ющим действием прямого тока независимо от его значения [3].

Далее процесс повторялся, но со следую­щим значением тока. В диапазоне 0-10 мА дискреты были выбраны через 1 мА, в диапа­зоне 10-100 мА измерения проводились через каждые 10 мА. После измерения последних значений (на токе 100 мА), в камере начинала устанавливаться следующая температура и вся программа повторялась. Таким образом, каж­дый светодиод каждого цвета имел не менее 20 значений всех параметров на каждой тем­пературе в диапазоне от -60 до +60 °С с шагом в 20 °С (7 дискретов).

Как видно из графиков, градиент напряже­ния достаточно сильно зависит от темпера­туры у всех светодиодов и имеет устойчивую тенденцию к росту при понижении темпера­туры. Некоторое замедление роста градиен­та при температурах до -50 °С, скорее всего, связано с тепловым действием тока и умень­шением этого эффекта с понижением темпе­ратуры, что особенно проявляется при не­больших плотностях тока через кристалл, где саморазогрев минимален у светодиодов на ос­нове InGaN/AlGaN/GaN. Однако у светодио­дов на основе AlGalnP наблюдается домини-

рубрика

компоненты

143

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 6. Относительная зависимость Jf(Ta) светодиодов на основе AI0 35Ga016ІП0 49P с Eg = 2,21 эВ и Xdom = 592 нм (отн. Та = 20 °С) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях If

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 5. Относительная зависимость (Jf( Ta) светодиодов на основе Ai0 3oGa0 2iIn0 49P с Eg = 2,02 эВ и Xdom = 625 нм (отн. Ta = 20 °С) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях If

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 8. Относительная зависимость Jf(Ta) светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с Xdom = 468 нм (отн. Та = 20 °С) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях If

Є~

Є-

рование процесса разогрева (кривые при больших плотностях тока имеют гораздо меньшую крутизну) с одной стороны и из­менение характера увеличения ширины за­прещенной зоны Eg и квантовой эффектив­ности при понижении температуры с другой. Эти обстоятельства следует учитывать тогда, когда речь идет о расчетах электрических ре­жимов работы светодиодов в каком-либо ус­тройстве, которое будет работать при различ­ных температурах окружающей среды. Как правило, достаточно ему находиться на улице, и все перечисленные зависимости будут сказываться обязательно. Стоит также обратить внимание еще и на режимы оконеч­ных каскадов или ключей, нагрузкой которых являются светодиоды при динамическом уп­равлении (табло, вывески, экраны, бегущие строки). Их динамический диапазон и уро­вень напряжения питания не должны повли­ять на излучательные параметры светодио­дов при изменении температуры из-за нару­шения электрического режима. И без этого характеристики оптического излучения све­тодиодов существенно изменятся с темпера­турой. Это отражено в графиках на рис. 9-10.

Кроме того, более детальное рассмотрение представленных здесь зависимостей позво­лит, с одной стороны, правильно оценивать охлаждающую способность кристаллодер - жателя при разных температурах, которая вырисовывается из поведения градиента Y при различных токах (его уменьшение при увеличении тока If при одной и той же тем­пературе свидетельствует об исчерпании ох­лаждающих свойств из-за несоответствия площади, материала кристаллодержателя и теплового сопротивления «среда — крис­талл» тепловому действию тока If), ас дру­гой стороны, правильно определить токовый режим работы (рабочий ток) светодиода, ис­ключающий его перегрев.

На рис. 9 представлен более привычный вид электрической характеристики — вольт-ам - перной. Так выглядит семейство кривых при разных температурах. Здесь также видно, что изменяется не только само значение прямого напряжения, но и его градиент. Рис. 10 иллю­стрирует изменение потребляемой мощнос­ти Pdis и динамического сопротивления Rdyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN. Графики удобны для использования при рас­четах режимов оконечных каскадов — клю­чей, управляющих работой светодиода, ха­рактеристик теплоотводов и потребляемой электрической мощности.

Энергетические характеристики излучения Энергетические характеристики светодио­дов также существенно зависят от темпера­туры. Самый распространенный и наиболее известный среди пользователей параметр, хо­тя и достаточно косвенно отображающий энергетику излучения — осевая сила света IV. Поведение IV при изменении температуры носит характер, идентичный изменению дру­гих важных энергетических параметров — светового потока F и оптической мощности P, поэтому зачастую использованием этой ха­рактеристики в самых простых случаях и ог­раничиваются. Однако как при очень низких (-20.. .-60 °С), так и при высоких (до +80 °С) температурах данную зависимость (IV (Ta)) нельзя считать корректной при оценке энер­гетики оптического излучения светодиода. Не зависящая ни от одного из остальных па­раметров излучения, осевая сила света дает лишь относительную характеристику в от-

Температура в жизни и работе светодиодов

144

компоненты

рубрика

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 9. Вольт-амперные характеристики светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при различных температурах окружающей среды. На вставке — участки характеристики до 10 м^ Хорошо заметно существенное изменение экспоненциального участка ВАХ с температурой, связанное с изменением плотности состояний и скорости рекомбинации

Рис. 10. Зависимости потребляемой электрической мощности Pds и динамическое сопротивление Rdyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при различных температурах окружающей среды

личие от интегрального светового потока F, который зависит не только от изменения ин­тенсивности излучения с температурой, но и от перераспределения его плотности по поверхности кристалла, и, как следствие, от изменения вида диаграммы направленно­сти излучения светодиода. Оптическая мощ­ность P имеет еще более сложную зависи­мость из-за одновременного учета измене­ния светового потока и спектрального соста­ва излучения, который также очень значительно изменяется с температурой и бу­дет описан в следующей части статьи. Поэто­му ограничимся рассмотрением и сравнени­ем зависимостей осевой силы света и свето­вого потока от температуры.

Как и при обсуждении электрических ха­рактеристик, в измерениях зависимостей F (If)

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 11. Относительные люмен-амперные (F[if)) зависимости светодиодов на основе Al0 30Ga02iIn0,49P с Xdom = 625 нм (отн. If = 20 мА) при различных температурах окружающей среды от —60 до +50 °С

Є-

Є~

Nofmalized Lu п

Іпмі Flux

МММ

* S й і йа

—+50 d

If. niA

О 5 1 0 15 20 25 30 35 40

Рис. 12. Относительные люмен-амперные (F (f)) зависимости светодиодов

на основе Al0 35Ga016ІП0 49P с Xdom = 592 нм (отн. If = 20 мА)

при различных температурах окружающей среды от —60 до +50 °С

Norma

ised Lu

ntin«us

lux

—-60

---- -50

---- -40

-20

•o

---- +20

---- 440

4

If. mA

О 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27,5 30 32,5 35 37.5 40

Температура в жизни и работе светодиодов

О 2.5 5 7.5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40

Рис. 14. Относительные люмен-амперные (F (f)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с Xdom = 469 нм (отн. If = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от —60 до +50 °С

Рис. 13. Относительные люмен-амперные (F (f)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с Xdom = 522 нм (отн. If = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от —60 до +50 °С

Температура в жизни и работе светодиодов

145

рубрика компоненты

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

ма пространственного излучения светодио­да будет менее 15° и более 90° по уровню 0,5, или в случае применения диспергатора в со­ставе линзы. Помимо изменения геометри­ческих размеров оптической системы и оп­тических свойств ее материала с температу­рой, это вызвано также перераспределением областей излучательной рекомбинации по объему кристалла, который является ис-

также был применен режим стабилизации прямого тока If через светодиод при изменя­ющемся от температуры напряжении Uf.

Как видно из графиков на рис. 11-14, лю - мен-амперные характеристики мало зависят от температуры окружающей среды. Их отли­чие обусловлено лишь тепловым действием прямого тока. И там, где его действие более эф­фективно, например, из-за снижения эффек­тивности охлаждения кристалла, различия бо­лее заметны. Для наглядного примера стоит привести люмен-амперную характеристику светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN, из­меренную в импульсном режиме, который ис­ключает разогрев кристалла прямым током (рис. 15). Хорошо видно, что эти зависимости практически совпадают.

Диаграммы на рис. 16 показывают изме­нение осевой силы света светодиода с темпе­ратурой при условии стабилизации одного параметра из двух: If или Uf. При значениях прямых токов с плотностью, выходящей за пределы указанного на диаграмме диапа­зона, наклон кривых может меняться в зави­симости от типа кристаллодержателя. Одна­ко следует также иметь в виду и тот факт, что будучи значительно связанной с параметра­ми и материалом оптической системы свето­диода, осевая сила света IV непременно будет изменяться по другому закону, если диаграм-

Световой п

ЗТОК F. OTH. efl

РЇІ

/

г

/

Пря

мой токії. гтА

------------------

Рис. 15. Относительные люмен-амперные (F(f)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при крайних температурах окружающей среды от —60 до +50 °С, измеренные импульсным методом, без разогрева излучающего кристалла током f

точником излучения и на который настрое­на эта оптика.

Изменение конфигурации источника при­водит к рассогласованию всей оптической системы светодиода, могущей состоять из трех или более элементов (в простом случае: кристалл — лунка — линза, в более сложных: кристалл—лунка—кремнийорганический на­полнитель — люминофор — линза Френеля).

Температура в жизни и работе светодиодов

Рис. 16. Относительные зависимости осевой силы света светодиодов при различных температурах окружающей среды от —60 до +55 °С. Диаграммы справедливы для плотностей тока через кристалл 1,5—60 A/см2 и даны относительно ta = +20 °С:

а) на основе GaAs, б) на основе AlGalnP, в) на основе InGaN/AlGaN/GaN сXdom = 525 нм, г) на основе InGaN/AlGaN/GaN сXdom = 468 нм

-е-

Температура в жизни и работе светодиодов

Температура в жизни и работе светодиодов

В указанном диапазоне углов излучения (15-90°) оптическая система оказывает опти­мальное влияние на ход лучей и обладает мак­симальным коэффициентом концентрации светового потока внутри диаграммы направ­ленности с наименьшими потерями, поэтому изменения характеристик источника сказыва­ются минимально. Однако когда система фор­мирует малый (меньше 10° по уровню 0,5) угол излучения, ее КПД (коэффициент сбо­ра потока) уменьшается, а любая несогласо­ванность составляющих ее элементов стано­вится очень заметной, в то время как угол из­лучения светодиода стремится к значениям более 100°, близким к характерным для кри­сталла без оптики (линза не обладает доста­точной оптической силой), объемное пере­распределение излучения кристалла может изменить диаграмму направленности свето­диода, являясь доминирующим при ее фор­мировании относительно оптики. Именно поэтому можно заметить, что динамика из­менения светового потока, показанная на рис. 11-14 отличается от динамики осевой силы света. Все сказанное объясняет приме­нение зависимостей, показанных на рис. 16, лишь с указанной оговоркой.

Во второй части статьи будут обсужда­ются колориметрические характеристики в зависимости от температуры и особеннос­ти восприятия глазом человека излучения све­тодиодов в свете этих зависимостей.

Автор выражает особую благодарность за организацию и поддержку экспериментов: Абрамову Владимиру Семеновичу, к. т. н., Аникину Петру Павловичу, к. ф-м. н, Сушкову Валерию Петровичу, д. т. н. ■

Продолжение следует.

Литература

1. Мосс Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир. 1976.

2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1-2. М.: Мир. 1984.

3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN - светодиодов // Светодиоды и лазеры. 2002. № 1-2.

4. Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Никифо­ров С. Г., Пинчук О. П., Столяревская Р. И. Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе СИД // Светотехника. 2003. № 6.

5. Иваницкий Г. Вернисаж инфракрасных портре­тов // Наука и жизнь. 2005. № 8.

6. Цвета световых сигналов. Официальные рекомен­дации Международной комиссии по освещению (МКО). Публика ция МКО № 2.2 (ТС-1.6). 1975.

Є~

Температура в жизни и работе светодиодов

Устройства на светодиодах, и не только

Где купить качественную светодиодную ленту

Еще совсем недавно светодиоды считались новинкой, а в данное время их уже массово используют для дополнительного освещения и декора помещения. Светодиодная лента широко используется для создания эксклюзивных световых решений дизайнерами …

Взрывозащищенные светильники – хорошее решение для взрыво- и пожароопасных объектов

В соответствии с государственными нормативами на предприятиях имеющих опасные условия для работы, в обязательном порядке должно быть использовано осветительное оснащение повышенного класса взрывозащиты.

Светодиодный комплект из Китая: как наладить доходное дело

Популярность светодиодной продукции в нашей стране и во всем мире объясняется очень просто. LED-приборы – наиболее экономичный вариант освещения. Один раз заплатив, вы забываете о замене источника очень на долгий …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.