Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED

Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее!

Олег Лосев, создатель одного из первых светодиодов в середине 1920-гг. Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 г., Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет в области светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению [2].

Многослойные тонкопленочные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение органических светодиодов — OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зеленый» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов широко применяются в сотовых телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

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. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

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. Почему? 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 [1].

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, что особенно ценят дизайнеры, 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. 1. 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. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов IIи IVгруппы или нитридов элементов IIIгруппы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiCоказался 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 ZnSeквантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaNплавится 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.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM(США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, но работы Панкова не поддержали [5].

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaNс примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaNс примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы NichiaChemical, исследуя пленки нитридов элементов IIIгруппы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

--PAGE_BREAK--

Фирма Nichiaзапатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10 — 20 млн. голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

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%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и 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 голубого – 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 голубого излучения СД с излучением либо жёлто-зелёного люминофора, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым 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/GaNподбирается 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. Сейчас исследуется около десятка различных люминофоров для белых СД. На рис. 4 показано строение 5мм светодиода, излучающего белый свет. Четвертый способ – смешение из лучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. На рис. 5 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора. Этот способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ-спектру излучения кристалла СД. Светоотдача белых СД ниже, чем светоотдача СД с узким спектром, поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть её теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших белых СД 25...30 лм/Вт.

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGBв принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать[3].

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы, и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

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; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов [1].

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, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решётки полупроводника. 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 безизлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация. Впервые это явление в далёкие 20-е годы исследовал О.В. Лосев, наблюдавший свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). 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 AlGalnP— и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть 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 (в англоязычной терминологии driver) 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 [2].

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения.

продолжение --PAGE_BREAK--

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.

Возможности, применение и недостатки светодиодов

Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXIвека) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, — оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой [3].

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными -газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

Преимущества

Экономично...

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно...

Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно...

Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, — 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов[4].

Красиво...

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно...

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость – главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и неоновыми трубками различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». До сих пор затраты на светодиодные модули — два раза выше стоимости неонового изделия аналогичной яркости. Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 — 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Также недостатком при использовании светодиодов в конструировании объемных букв средних и крупных размеров можно считать их миниатюрность, из-за которой требуется объединять многочисленные отдельные светодиоды в группы. Чтобы обеспечить яркий и красочный свет, мгновенно привлекающий внимание, требуется большое количество светодиодов. В данном случае возникает необходимость использования универсальных модулей: один или два светодиода, которые можно интегрировать практически в любой рекламный образ.

Где применяют светодиоды?

все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.)

замена неона

дизайн помещений

дизайн мебели

архитектурная и ландшафтная подсветка

одноцветные дисплеи с бегущей строкой

магистральные информационные табло

полноцветные дисплеи для больших видео экранов

внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах

дорожные знаки и светофоры

Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.

Будущее за светодиодами?

Специалисты подчеркивают, что в ближайшие несколько лет цены на светодиоды упадут до уровня, при котором готовые изделия из них будут стоить дешевле неоновых. В этом случае необходимости в квалификации по работе с неоном, электропроводке высоковольтных проводов для подключения газоразрядных трубок и мерах для предотвращения ошибок, ведущих к перегоранию источников света, нет.

Еще более перспективны светодиодные модули — исключительный по гибкости «конструктор» для дизайнера и изготовителя рекламы, включающий разнообразные простейшие геометрические формы — линии, кольца, звезды, прямоугольники… Подобно разноцветным пластиковым модулям LEGOсветодиодные модули легко объединяются друг с другом и не менее легко присоединяются к любой поверхности. Если светодиоды открывают новую эру в освещении вообще, светодиодные модули — бесспорно, новая эра светодизайна. Осветительный прибор как автономное устройство перестает быть главным компонентом архитектурного и интерьерного освещения; светодиодные модули делают шаг «вглубь», встраивая, интегрируя свет в различные объекты, можно получить совершенно новую степень свободы в формировании световой среды, выходя на фантастический уровень детальности, согласованности, управляемости [2].

продолжение --PAGE_BREAK--

Пожалуй, самое интересное — это процесс вторжения светодиодных технологий в «традиционное» освещение. Начался он с установок, где не требуется высокий уровень освещенности: дежурное и аварийное освещение, ночное интерьерное освещение, знаки и таблички, «маркировочное» освещение. Насыщенный цвет светодиодных модулей позволяет использовать светодиоды для цветового зонирования пространства, создания цветовых акцентов. Сочетание светопрозрачных конструкций (окна, стеновые панели, стеклянная мебель) с гибкими линейными светодиодными модулями позволяет создавать светящиеся и меняющие цвет формы. Применение сверхминиатюрных источников света позволяет создать «альтернативные» яркие световые образы для привычных предметов интерьера. С ростом световой отдачи и удешевлением приборов, светодиодная «экспансия» распространяется не только на локальное, но и на общее освещение, в котором лидирующее положение пока занимают традиционные и галогенные лампы накаливания (жилые помещения) и люминесцентные лампы (офисные помещения).

Наиболее остры вопросы обслуживания в наружном освещении, поэтому внедрение светодиодов в архитектурное освещение происходит очень быстро. Заманчивой идеей для архитекторов является применение светодиодных «линий» для создания световых карнизов. Характеристики светодиодных модулей по эксплуатационным параметрам многократно превышают существующие альтернативы, а по стоимости оказываются вполне сравнимыми с ними. Нужно только не забывать, что холодный свет светодиодов не в состоянии растопить скапливающийся на карнизах снег, поэтому использовать их (в наших краях) в архитектурной подсветке нужно в положении «светим вниз». Тот же аргумент справедлив для ландшафтного освещения, поэтому встраиваемые в дорожку или газон светодиодные «аплайты» зимой видны не будут. Однако здесь есть и плюсы: светодиоды, как и оптоволоконо, можно использовать для подсветки ледяных скульптур, замерзших прудиков из-под льда и т. д.).

Насыщенные цвета светодиодов создают фантастические эффекты при подсветке воды. Светодиодное освещение фонтанов создает ни с чем не сравнимые «флюоресцирующие» световые картины.

Заключение

Сегодня электролампы, относящиеся к семейству светодиодов Luxeon производства компании Philips, служат в 100 раз дольше, а светят в 4 раза сильнее, чем обычные лампы накаливания. Главное — получен белый свет от энергии светодиода.

До недавнего времени светодиодные лампы являлись всего лишь электроприборами, сообщающими о том, что принтер включен или что на автоответчике есть сообщение. Однако за последние годы компания Philips через свое участие в деятельности компании LumiLeds (совместное предприятие с компанией Agilent Technologies) искала пути увеличения размеров и яркости светодиодных ламп. Стояла задача заменить ими большую часть обычных ламп накаливания и люминесцентных ламп. В то время, как все цветные светодиоды включая красные, желтые, зеленые и синие годились для применения в автомобилях, светофорах и компьютерных мониторах, начиная с середины 90-х годов основная ценность светодиодного освещения — белый свет — оставалась более сложной проблемой. Даже при технологических прорывах Philips последнего периода, вероятно, понадобится около пяти лет для того, чтобы замена обычных ламп накаливания и люминесцентных ламп стала в достаточной мере доступной и рентабельной. При существующей технологии лучшие светодиодные лампы, дающие белый свет, уже намного более эффективны, чем лампы накаливания.

Способность давать белый свет очень важна для любой осветительной технологии, если она должна совершить серьезный прорыв на общий рынок. Однако технология производства светодиодов, дающих белый свет, очень сложна. Существуют два пути создания белого света светодиодами. Первый заключается в смешивании красного, зеленого и синего света, второй — в использовании фосфора для превращения синего или ультрафиолетового излучения светодиода в белый свет. Работа в команде и глубокие знания сложной технологии позволили компаниям Lumileds и Philips Research создать светодиод, дающий белый свет. Технология еще находится на ранней стадии развития, но все признаки говорят о хороших перспективах.

Светодиодные лампы обладают невероятно долгим по сравнению с обычными лампами сроком службы — от 50.000 до 100.000 часов (около 1000 часов для ламп накаливания и 7500 часов для люминесцентных ламп).

Очень важно! При продолжении увеличения эффективности светодиодных ламп возникнут большие возможности для экономии энергии! Создание белого света с помощью этой технологии будет означать возможность изменения цвета и интенсивности света в помещении одним щелчком переключателя. Другими словами, это возможность уменьшения яркости белого освещения в гостиной до успокаивающего синего и романтического красного света без замены ламп.

Еще одна дополнительная выгода заключается в том, что благодаря небольшим размерам светодиодных ламп светодизайнеры могут создавать компактные блоки ламп, с тем чтобы можно было легко направлять свет туда, где он действительно нужен. (Традиционные лампы накаливания относительно неуправляемы и излучают свет во все стороны.)

И, наконец, об использовании светодиодов вне интерьера. Сегодня до 8% всех светофоров США работают на светодиодных лампах. А так как местные власти больше убеждаются в том, что сокращение расходов на электроэнергию и техобслуживание светофоров со светодиодными лампами по сравнению с таковыми, оснащаемыми обычными лампами накаливания, налицо, можно ожидать, что очень скоро эта доля сильно возрастет.

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.

www.ronl.ru

Реферат Светодиод

скачать

Реферат на тему:

План:

1 История
2 Вклад советских учёных
3 Характеристики
4 Цвета и материалы полупроводника
5 Стоимость
6 Преимущества
7 Применение светодиодов
8 Органические светодиоды — OLED
9 Производство

Введение

Светодиодная лампа

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Считается[кем?], что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

1. История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

2. Вклад советских учёных

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи спая[1]. Теоретического объяснения явлению тогда не было.

Виды светодиодов


Светодиод с пластиковой оболочкой		Светодиодный фонарь для сценического освещения		Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Яркость аналогична 15 Вт бытовой лампе накаливания.

О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за СССР приоритет в области светодиодов[2], утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

3. Характеристики

Обозначение светодиода в электрических схемах

Вольт-амперная характеристика сведодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника. КПД светодиодов в основном колеблется от 30 до 50 %. Потребление энергии в 8 раз меньше, чем у ламп накаливания. Срок службы — в 50 раз дольше (порядка 50 тысяч часов).

4. Цвета и материалы полупроводника

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:

Цвет длина волны (нм) Напряжение (В) Материал полупроводника

Инфракрасный	λ > 760	ΔU < 1.9	Арсенид галлия (GaAs)Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
Красный	610 < λ < 760	1.63 < ΔU < 2.03	Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый	590 < λ < 610	2.03 < ΔU < 2.10	Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый	570 < λ < 590	2.10 < ΔU < 2.18	Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)Галлия(III) фосфид (GaP)
Зелёный	500 < λ < 570	1.9[3] < ΔU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN)Галлия(III) фосфид (GaP)Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Голубой	450 < λ < 500	2.48 < ΔU < 3.7	Селенид цинка (ZnSe)Индия-галлия нитрид (InGaN)Карбид кремния (SiC) в качестве субстратаКремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
Фиолетовый	400 < λ < 450	2.76 < ΔU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный	Смесь нескольких спектров	2.48 < ΔU < 3.7	Двойной: синий/красный диод,синий с красным люминофором,или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый	λ < 400	3.1 < ΔU < 4.4	Алмаз (235 nm)[4] Нитрид бора (215 nm)[5][6]Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)[7]Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (down to 210 nm)[8]
Белый	Широкий спектр	ΔU ≈ 3.5	Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором;

5. Стоимость

Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока - порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.

К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверх мощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE) 15-20$

6. Преимущества

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

Высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам[9]. Однако натриевые лампы малопригодны для освещения жилых помещений из-за специфического цвета.
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.
Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света - ламп накаливания, газоразрядных ламп).
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 отличие от люминесцентных ламп.

7. Применение светодиодов

Применение светодиодов


Комнатное освещение		В светофорах		В автомобильных фарах

В уличном, промышленном, бытовом освещении
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[10])
В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и проч
В светодиодных дорожных знаках
В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

8. Органические светодиоды — OLED

OLED дисплей

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

9. Производство

Наиболее[11] крупным производителем светодиодов в мире является компания «Siemens» со своими дочерним предприятиями «Osram Opto Semiconductors» и «Osram Sylvania».

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение Lumileds Lighting, а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании Nichia Corporation, где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: Emcore Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron, занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Крупнейшим[12] производителем светодиодов в России и Восточной Европе является компания «Оптоган», созданная при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения. Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод Samsung Electronics в Калужской области.

Примечания

ФИЗИК ЛОСЕВ - r3i.qrz.ru/losev.htm Жизнь ученого Лосева Олега Владимировича
О. В. Лосев — изобретатель кристадина и светодиода - www.computer-museum.ru/connect/losev.htm К 100-летию со дня рождения. Автор: Ю. Р. Носов
OSRAM: green LED - catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00041987_0.pdf
(2001) «Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction». Science 292 (5523). DOI:10.1126/science.1060258 - dx.doi.org/10.1126/science.1060258. PMID 11397942 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11397942?dopt=Abstract.
(2007) «Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure». Science 317 (5840). DOI:10.1126/science.1144216 - dx.doi.org/10.1126/science.1144216. PMID 17702939 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17702939?dopt=Abstract.
(2004) «Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal». Nature Materials 3 (6). DOI:10.1038/nmat1134 - dx.doi.org/10.1038/nmat1134. PMID 15156198 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15156198?dopt=Abstract.
(2006) «An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres». Nature 441 (7091). DOI:10.1038/nature04760 - dx.doi.org/10.1038/nature04760. PMID 16710416 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16710416?dopt=Abstract.
LEDs move into the ultraviolet - physicsworld.com/cws/article/news/24926, physicsworld.com (May 17, 2006).
Натриевая лампа - bse.sci-lib.com/article080344.html — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
Китайские ученые построили беспроводную сеть на светодиодах - lenta.ru/news/2010/05/18/china/. Lenta.ru (18 мая 2010).
Уличное светодиодное освещение. Миф про «Широкую» кривую силы света светодиодов OSRAM GOLDEN DRAGON OVAL PLUS.. Статьи компании «Первая Энергосберегающая Компания» - fse.tiu.ru/a20626-ulichnoe-svetodiodnoe-osveschenie.html
Компания Optogan - РБК : "Российский производитель светодиодов "Оптоган" приобрел завод "Элкотек" в Петербурге у люксембургской Elcoteq SE" - www.optogan.ru/press-center/smi_o_nas/rbk_rossijskij_proizvoditel_svetodiodov_optogan_priobrel_zavod_elkotek_v_peterburge_u_lyuksemburgskoj_elcoteq_se.html

wreferat.baza-referat.ru

Светодиоды и их практическое применение

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина»

Физический факультет

Кафедра общей физики

Светодиоды и их практическое применение

Выполнил студент 3 курса гр. ФМ-31

Научный руководитель:

Брест, 2010г

Оглавление

Введение

Понятие, виды, структура светодиодов

Свойства и характеристики светодиодов

Возможности, применение и недостатки светодиодов

Заключение

Список литературы

Введение

Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Понятие, виды, структура светодиодов

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").

Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе 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.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, но работы Панкова не поддержали [5].

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

www.coolreferat.com

Реферат: "Полупроводниковые светодиоды"

Выдержка из работы

Содержание

Введение

1. Классификация и конструкция светодиодов

2. Открытие и первые разработки

3. Светодиоды на основе карбида кремния

4. Светодиоды на основе структур AIIIBV: GaN и его твердые растворы

5. Мощные светодиоды

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время много работ по полупроводниковым светодиодам, ставшими источниками света, которые производятся в промышленных масштабах для самых разных применений. Светодиоды эффективны, имеют малые размеры и длительный срок службы. В последнее время они стали рассматриваться как самые перспективные источники света для осветительных приборов.

О светодиодах опубликовано много статей, сделаны тысячи докладов на конференциях, написаны сотни диссертаций, патентов и научных отчетов, изданы десятки брошюр и несколько книг. Все это обусловлено бурным развитием физики и технологии светодиодов -- важнейшего направления в современной полупроводниковой электронике и оптоэлектронике, широко применяющегося в промышленности и обещающего новые применения в ближайшем будущем.

Особенно стоит отметить период с середины 90-х гг. ХХ в., когда в физике и технике полупроводников произошел прорыв благодаря созданию гетероструктур на основе нитрида галлия и его твердых растворов[1]. Эффективные светодиоды, разработанные на основе этих материалов, перекрыли коротковолновую часть видимого спектра -- от ультрафиолетовой до желтой области. Одновременно существенно улучшилась и эффективность светодиодов на основе гетероструктур и других полупроводниковых соединений типа AIIIBV -- от желто-зеленой до ближней инфракрасной области[1,2]. Как следствие, светодиоды стали перспективными источниками света не только для сигнализации, отображения и передачи информации, но и для общего освещения. То, что казалось фантастикой и далекой перспективой, стало реальностью.

1. Классификация светодиодов

В корпусе светодиода может находиться один (однокристальные светодиоды) или несколько кристаллов (многокристальные светодиоды, или матрицы). Современные светодиоды (СД) можно условно разделить на несколько основных групп по потребляемой мощности и рабочему диапазону токов: индикаторные, сверхъяркие и мощные. Условные группы изображенына пирамиде классификации светодиодов на рисунке 1.

Рисунок 1 — пирамида классификации светодиодов

полупроводниковый светодиод источник свет

Индикаторные СД -- компактные светодиоды, имеющие относительно небольшую силу света (до 100 мкд). Рабочий диапазон тока около 20 мА. Они обычно выпускаются в стандартном корпусе с выводами (диаметр основания 3 или 5 мм). В основном такие светодиоды применяются в оптических индикаторах.

Сверхъяркие СД обычно собираются на полупроводниковых кристаллах малого и среднего размера (от 200Ч200 до 500Ч500 мкм) и имеют высокие световые характеристики (сила света до 10 кд, средний световой поток в белом цвете порядка 20−30 лм и более). Рабочий диапазон токов от примерно 20 до 150−200 мА. Могут быть выполнены в стандартном корпусе с выводами (диаметр основания 3, 5 или 10 мм) или в корпусе для поверхностного монтажа (SMD-светодиоды). Стоит заметить, что сверхъяркие СД занимают промежуточное положение между индикаторными и мощными, и четкую границу здесь на самом деле провести достаточно трудно.

Сверхъяркие СД имеют широкий спектр применений -- световая реклама, дорожные светофоры и указатели, автомобильная светотехника, экраны, мобильные телефоны и т. д.

Мощные СД имеют самые большие размеры кристаллов и наибольшие значения световой отдачи (более 50 лм/Вт для белого цвета). Потребляемая мощность в номинальном режиме (ток 350 мА) составляет около 1 Вт. Допускается применение при токах 500, 700, 1000 мА и выше. Повышение рабочего тока позволяет увеличить световой поток. Выпускаются в корпусе для поверхностного монтажа (SMD-корпусе). Основным применением мощных светодиодов является различное осветительное оборудование.

Отдельно стоит остановиться на светодиодных модулях. СД-модули представляют собой сборку из многих кристаллов, соединенных в последовательно-параллельные цепочки на одной плате. Выпускаются в виде плат с контактами для пайки и отверстиями для крепления. Могут иметь встроенные драйверы питания на плате. Основным их применением является также осветительное оборудование.

В последнее время светодиоды стали классифицировать и по применению. Стоит несколько слов сказать о новом понятии, введенном западными производителями, -- светодиоды для освещения (Lighting Class LED). Эти светодиоды должны удовлетворять определенным требованиям к световому потоку и цветовой температуре. В частности, как декларируется ведущими производителями, световой поток таких светодиодов не должен снижаться более чем на 30% от начального значения за 50 000 часов работы, а также изменение цветовой температуры не должно быть визуально заметно.

Рисунок 2 — конструкция мощного диода

2. Открытие и первые разработки. Светодиоды на основе карбида кремния (SiC)

Впервые излучение света полупроводниковыми структурами было экспериментально обнаружено в начале XX в. В 1907 г. Генри Джозеф Раунд проверял возможность применения кристаллов карбида кремния (SiC), или, как его тогда называли, -- карборунда, в качестве выпрямляющих твердотельных детекторов. Позднее эти детекторы получили название «кристаллических детекторов». Они использовались как демодуляторы радиочастотных сигналов в первых радиоприемниках. Работа кристаллических детекторов была впервые продемонстрирована в 1906 г.

В то время структуры типа «кристалл-точечный металлический контакт» часто исследовались в поисках альтернативы дорогим вакуумным диодам, впервые появившимся в 1904 г. и потреблявшим много электрической энергии. При работе с кристаллами карборунда Раунд заметил свечение. Фактически именно с этого момента и начинается история светодиодов. Правда, в те времена не существовало точных методов определения свойств материалов, что не дало возможности объяснить физику процесса излучения света. Тем не менее Раунд немедленно доложил о своих наблюдениях редакторам журнала «Электрический мир"[3].

В 1928 г. Олег Владимирович Лосев опубликовал результаты своих исследований явления люминесценции, наблюдаемого в выпрямляющих диодах на основе SiС, используемых в качестве демодуляторов в радиосхемах, на переходах металл-полупроводник. Данные эксперименты он проводил в 1923 г. Лосев установил, что излучение света в одних диодах возникает только при их смещении в обратном направлении, а в других -- при смещении как в прямом, так и в обратном направлениях. Таким образом был открыт эффект прямого преобразования энергии электрического тока в световую. Это явление получило название электролюминесценции [3].

Однако мощность излучения и КПД источника света на основе SiC были настолько малы, что он представлял лишь научный интерес, хотя Лосев уже тогда предположил возможную область применения открытого им эффекта. Он пытался найти причину возникновения люминесценции, предположил, что данное явление «очень похоже на процесс испускания холодных электронов», и обнаружил, что процесс появления и исчезновения свечения в диодах на основе SiC происходил очень быстро, что делало возможным изготовление на их основе так называемых «световых реле». Несколько позднее, в конце 30-х гг. XX в., в своих работах О. В. Лосев указал, что свечение возникает в кристалле на границе между p- и n-областями [3,4].

К концу 60-х гг. были разработаны технологии получения пленок SiC и изготовления на их основе полупроводниковых устройств с p-n-переходом[3,5,6]. Диоды из карбида кремния были прародителями современных светодиодов на основе голубого свечения. К сожалению, SiC является непрямозонным полупроводником, поэтому вероятность межзонных оптических переходов в нем очень мала. Как следствие, эффективность таких светодиодов крайне низкая, она составляет сотые, а то и тысячные доли процента. Лучшие светодиоды на основе SiC излучали свет с длиной волны 470 нм и имели значения КПД порядка 0,03%. К началу 90-х гг. выпуск светодиодов на основе SiC голубого свечения был практически прекращен, поскольку этот материал не мог дальше конкурировать с полупроводниковыми материалами типа AIIIBV.

3. Светодиоды на основе структур AIIIBV: от GaAs до AlInGaP

В 50−70-е годы XX в. началось промышленное производство первых светодиодов на основе полупроводниковых материалов типа AIIIBV -- арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP) и их твердых растворов. Диапазон длин волн излучения этих светодиодов занимал область от инфракрасного до желто-зеленого диапазона (приблизительно 560−570 нм). Во второй половине 70-х гг. и в 80-е годы началось производство светодиодов на основе четверных растворов AlInGaP. Длины волн этих светодиодов занимают красный и желтый диапазоны видимого спектра, светодиоды имеют высокий квантовый выход и в настоящее время используются для получения красного, оранжевого и желтого цвета [3].

Существенный вклад в развитие данного направления внесли советские ученые. Жорес Иванович Алферов, академик Российской академии наук (РАН), директор Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, лауреат Ленинской премии, получил золотую медаль Американского физического общества за исследования гетероструктур на основе AlGaAs еще в 70-х гг. прошлого века. В 2000 г., когда стало ясно, насколько велико значение этих работ для развития науки и техники, насколько важны их практические применения для человечества, ему была присуждена Нобелевская премия [8].

Но стоит начать рассказ о данном этапе развития технологии светодиодов по порядку. Эра полупроводниковых соединений типа АIIIВV началась в 50-х гг. Поскольку полупроводниковые материалы данного типа являются искусственно созданными, их до этого времени просто не существовало. Современные полупроводники рассматриваемой группы обладают очень хорошими оптическими характеристиками, и для изготовления светодиодов на их основе применяются многие из современных технологий.

В 1954 г., после того как научились получать из расплавов монокристаллы GаАs, начался бум исследований полупроводниковых соединений типа АIIIВV. Монокристаллы разрезались, а получаемые пластины полировались и использовались в качестве подложек для формирования на них методами эпитаксии из жидкой фазы (жидкофазной эпитаксии, ЖФЭ) и эпитаксии из газовой фазы (газофазной эпитаксии, ГФЭ) полупроводниковых структур c p-n-переходом. В 1962 г. появилось сразу несколько публикаций о создании инфракрасных светодиодов в диапазоне длин волн 870−980 нм и GаАs-лазеров [3]. Серийный выпуск первых GаАs-светодиодов был налажен Texas Instruments Corporation в начале 1960-х гг. Это были светодиоды инфракрасного диапазона оптического спектра, с длиной волны излучения 870 нм.

В начале 60-х гг. научный коллектив, в состав которого входили известные ученые из IBM Thomas J. Watson Research Center, расположенного в Йорктаун Хейтс в часе езды к северу от Нью-Йорка, такие как Джерри Вудалл, Ганс Руппрехт, Манфред Пилкухн, Маршалл Натан и др., провел большую исследовательскую работу по созданию светодиодов на основе GаАs и АlGаАs и изучению их характеристик. Работы данного коллектива ученых были направлены на создание светодиодов видимого диапазона оптического спектра. Для этого были выбраны два материала: GаАsР и АlGаАs. Тогда же научились выращивать эпитаксиальные АlGаАs-слои на прозрачных GаР-подложках, что дало возможность создать светодиоды видимого диапазона оптического спектра.

Начало истории светодиодов видимого диапазона оптического спектра датируется 1962 г., когда Холоньяк и Бевака в журнале Applied Physics Letters опубликовали свое сообщение о когерентном излучении видимого света, наблюдаемом на p-n-переходе GаАsР. Хотя это свечение было обнаружено при низкой температуре, оказалось, что GаАsР-светодиоды работают и при комнатной температуре. Выпуск первых светодиодов на основе GаАsР был начат General Electric Corporation (GE) в начале 60-х гг. Они излучали свет в красной области видимого оптического спектра. Их выпустили совсем мало, и они использовались в основном в любительской радиоэлектронике.

Серийный выпуск таких светодиодов был налажен Monsanto Corporation. В 1968 г. эта компания построила завод, на котором стали изготавливать сравнительно недорогие GаАsР-светодиоды [3]. Этот год можно назвать началом эры твердотельных излучателей. Продажи таких светодиодов в период 1968—1970 гг. стремительно росли, удваиваясь каждые несколько месяцев. Светодиодные кристаллы, выпускавшиеся Monsanto Corporation, представляли собой GаАsР-p-n-структуры, выращенные на GаАs-подложках, излучающие фотоны с длиной волны, соответствующей красному диапазону видимого спектра.

Прямые и непрямые межзонные переходы, так же как и высокая плотность дислокаций, ограничивают яркость GаАsР-светодиодов. В настоящее время структуры GаАsР/GаАs используются в основном для изготовления светодиодов красного свечения, обладающих невысокой яркостью, применяемых в качестве индикаторных ламп [3]. Применение таких светодиодов в программируемом калькуляторе показано на рис. 3.

Рисунок 3- индикаторные светодиоды на основе GaAsP красного цвета свечения в дисплее программируемого калькулятора

Светодиоды на основе АlGаАs/GаАs-структур инфракрасного диапазона широко используются в системах дистанционного управления аудио- и видеотехникой, а также в локальных сетях связи [3]. А АlGаАs/GаАs-светодиоды красного свечения не только являются светодиодами видимого диапазона оптического спектра, но и обладают повышенной яркостью. К тому же их квантовый выход излучения выше, чем у GаАsР/GаАs-светодиодов красного свечения, но ниже, чем АlInGаР/GаАs-диодов [3].

Первые GаР-светодиоды красного и зеленого свечения были созданы группой ученых под руководством Ральфа Логана в Bell Laboratories в Мюррее Хилл (Нью-Джерси) в середине 70-х гг. [3]. В те годы полупроводниковые материалы уже применялись для создания как биполярных, так и полевых транзисторов, используемых в электронных схемах в качестве ключей и усилителей. Именно тогда инженеры и исследователи осознали, что полупроводники являются лучшими материалами для изготовления излучающих устройств.

GаР относится к непрямозонным полупроводникам, в которых вероятность межзонных переходов, происходящих с сохранением импульса, пренебрежимо мала, поэтому излучательная рекомбинация в них проходит, как правило, через примесные центры. Введение в GаР оптически активной изоэлектронной примеси, например азота (N), позволяет значительно повысить вероятность излучательной рекомбинации в полупроводнике за счет того, что эта примесь создает в запрещенной зоне промежуточный энергетический уровень, с которого электрону гораздо легче рекомбинировать с дыркой. Наличие таких «глубоких» примесных центров повышает вероятность оптических переходов.

В конце 1960-х годов была разработана технология получения GаР-пластин из расплавов при высоких температурах и давлениях. Из таких пластин при помощи резки формировались подложки, какие используются и в настоящее время. При легировании GаР изоэлектронными примесями, содержащими N, такими как GаN, были изготовлены светодиоды зеленого свечения, КПД которых превысил 0,6%. Хотя внешний квантовый выход светодиодов зеленого свечения меньше, чем у светодиодов красного свечения, восприимчивость человеческого глаза к зеленому цвету в 10 раз выше, чем к красному, поэтому кажущаяся (субъективная) яркость обоих типов светодиодов является сравнимой [3]. Светодиоды на основе GaP получили достаточно широкое распространение и применялись в основном в качестве индикаторов в бытовой технике, системных блоках и мониторах персональных компьютеров.

Над разработкой светодиодов видимого диапазона оптического спектра с КПД, превышающим КПД GаАsР-светодиодов, трудились и другие компании, такие как IBM, RCA и GE. Следует отметить, что в 1960-х гг. монохроматические цвета получались в основном при фильтрации света от ламп накаливания, поэтому свечение светодиодов, обладающих узкой спектральной линией излучения, казалось наблюдателям действительно очень чистым.

Система материалов на основе АlInGаР подходит для получения яркого свечения в красном (626 нм), оранжевом (610 нм) и желтом (590 нм) спектральных диапазонах и в настоящее время является основной системой для изготовления светодиодов повышенной яркости, излучающих свет в данном интервале длин волн. Такая система материалов была разработана в Японии для лазеров, работающих в видимом диапазоне оптического спектра. Поскольку ширина запрещенной зоны InGаР составляет около 1,9 эВ (650 нм), этот материал может использоваться для изготовления светодиодов и лазеров, излучающих свет в красной области видимого спектра [3]. Такие лазеры применяются, например, в лазерных указках и DVD-проигрывателях. На рис. 5 показан пример применения красных светодиодов на основе InGaP в дисплее электронных наручных часов.

Рисунок 5 — наручные электронные часы с индикаторными светодиодами на основе GaAsP красного цвета свечения

Добавление Аl к активной области InGаР позволяет сместить излучение в сторону более коротких длин волн, захватывая оранжевый и желтый спектральные диапазоны. Однако (AlxGa1-x)0,5In0,5P при х? 0,53 становится непрямозонным полупроводником, что приводит к сильному снижению его КПД на длинах волн, меньших или равных 600 нм. Следовательно, этот материал не подходит для изготовления высокоэффективных светодиодов, излучающих свет с длинами волн ниже 570 нм.

Первые АlInGаР-лазеры появились в начале 80-х гг., а развитие АlInGаР-светодиодов началось в конце десятилетия. В отличие от АlInGаР-лазеров, в структуру светодиодов обычно входят слои растекания тока, которые вводятся для того, чтобы светилась только плоскость р-n-перехода, но не область, расположенная ниже верхней части омического контакта. Дальнейшие усовершенствования АlInGаР-светодиодов были связаны с созданием в активной области, состоящей из нескольких квантовых ям, распределенных отражателей Брэгга и технологии изготовления прозрачных GаР-подложек [3]. Светодиоды на основе структур AlInGaP получили достаточно широкое распространение и применялись не только для индикации, но и в отображении информации. На рис. 6 показаны различные применения таких светодиодов: в информационных панелях и табло, бегущих строках, светофорах и т. д.

Рисунок 6 — примеры применений светодиодов на основе AlInGaP-структур желтого и красного цвета свечения

4. Светодиоды на основе структур AIIIBV: GaN и его твердые растворы

Для создания светодиодов более коротковолнового излучения, в синей и зеленой области, нужно было найти материал с более высоким значением ширины запрещенной зоны. Таким материалом стал GаN.

Исследования, начатые в 30−40-х гг. XX в. в Принстонском университете США, были продолжены в лаборатории компании RCA. Для получения данного материала использовали реакцию аммиака с жидким галлием, протекающую при повышенной температуре. В качестве подложки для выращивания структур GaN выбрали сапфир (Al2O3). Исследование пленок из этого материала показало, что без всякого легирования он обладает проводимостью n-типа, и для получения р-n-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь р-типа. Сначала решили, что для этих целей хорошо подойдет цинк, применяемый при работе с GаАs и GаР. Однако оказалось, что при высоких концентрациях Zn GаN-пленки становятся диэлектриками, а не проводниками р-типа. Причина этого была в том, что не удавалось активировать акцепторы Zn для создания p-типа проводимости[3,11,12].

В январе 1970 г. в работу по созданию светодиодов на основе пленок из GаN в лаборатории RCA включился Жак Панков. Он занялся исследованием процессов оптического поглощения и фотолюминесценции в тонких GаN-пленках. Летом 1971 г. было опубликовано сообщение о первом явлении электролюминесценции, наблюдаемом на образце из пленки GаN. Эти МДП-структуры стали первыми светодиодами на основе GaN. Исследуемый образец, состоявший из сильно легированного цинком GаN-слоя с двумя поверхностными электродами, излучал свет голубого цвета с длиной волны 475 нм. После этого Панков с коллегами создали структуру из нелегированного GаN-слоя (слоя n-типа), слоя сильно легированного Zn (диэлектрического слоя) и поверхностного контакта из In. Такой диод со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (с МДП-структурой) был первым светодиодом на основе GаN, излучающим свет зеленого и голубого цвета[3,11].

В дальнейшем технологи заменили цинк магнием. В результате этого удалось получить структуру, излучающую свет в голубом и фиолетовом диапазоне -- с длиной волны 430 нм. Следует, правда, отметить, что полученные исследователями в 70-х гг. пленки GaN, легированные магнием, не обладали проводимостью p-типа, а также являлись диэлектриками, поэтому люминесценция в них протекала либо за счет инжекции неосновных носителей, либо за счет ударной ионизации диэлектрических слоев структуры в сильном электрическом поле[3,11,12]. К сожалению, такие светодиоды обладали очень низким квантовым выходом и эффективностью, поэтому работы по GaN были приостановлены почти на десять лет. После того как группа Панкова закончила исследования по изучению GаN-пленок, работы по созданию GаN-светодиодов были остановлены, поскольку такие светодиоды обладали очень низкой эффективностью.

В 80-х гг. работ по GaN в Европе и США практически не было. Но их продолжали вести исследователи в Советском Союзе и Японии.

В начале 80-х гг. приоритетными были работы исследователей из МГУ им. М. В. Ломоносова -- Г. В. Сапарина и М. В. Чукичева -- по активации люминесценции в GaN, проводившиеся на физическом факультете и работы исследовательской группы В. Г. Сидорова в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский технический университет). Очень близки к получению материала с устойчивой проводимостью p-типа были в 1982 г. Сапарин и Чукичев, которые показали, что можно активировать акцепторы при облучении структур GaN электронным пучком.

В конце 80-х гг. работы были продолжены в Японии. В 1989 г. Исаму Акасаки и Хироши Амано с коллегами из Университета Нагойи продемонстрировали первый светодиод на основе GaN со слоем p-типа проводимости. Чуть позднее, в 1992 г., они опубликовали статью о создании первого светодиода на основе GaN с гомогенным p-n-переходом. Данный светодиод излучал свет в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазонах. Стойкие акцепторы магния активировались при облучении структур GaN электронным пучком; возможность этого в GaN-структурах с акцепторами цинка показали в своих работах исследователи из МГУ им. М. В. Ломоносова в начале десятилетия. Дополнительное легирование p-слоя GaN позволяет улучшать эффективность активации глубоких акцепторов.

Буквально через год сотрудники японской компании Nichia Chemical во главе с Шуджи Накамурой, разработав новую систему выращивания GaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии и предложив более технологичный способ активации акцепторов магния путем высокотемпературного отжига, получили первые светодиоды синего, голубого (рис. 7) и зеленого цвета свечения [3,11]. Светодиоды эти были изготовлены на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов InGaN и AlGaN голубого и зеленого цвета свечения, КПД этих светодиодов достигал 10%.

Рисунок 7 — светодиоды на основе InGaN/GaN-гетероструктур голубого цвета свечения

Исследователи фирмы Nichia показали также, что кристаллы на основе GaN и его твердых растворов подходят для получения светодиодов белого свечения. Был предложен метод использования люминофоров, преобразующих длину волны синего свечения кристалла в желто-зеленое свечение. Как результат сложения сигналов в указанных диапазонах получается белый цвет свечения.

Полученные результаты дали импульс развитию работ во всем мире. Первые светодиодные структуры на основе GaN исследовались разными группами ученых в различных институтах, университетах и исследовательских центрах США, в странах Азии и Европы. Первые структуры, несмотря на указанный достаточно высокий квантовый выход, содержали большое количество примесей и дефектов, что снижало их эффективность. В спектрах синих светодиодов при низких значениях прямого тока наблюдалась туннельная полоса под действием сильных электрических полей в активной области, обусловленных флуктуацией потенциала и кулоновскими полями примесей. Аналогичные туннельные составляющие наблюдались и на вольт-амперных характеристиках. При обратном напряжении, равном примерно 3Eg, в структурах синих светодиодов наблюдался ионизационный пробой и ударная ионизация, при которых также отмечалось свечение. В спектрах наблюдалась широкая полоса в диапазоне энергии квантов 2,2−2,3 эВ, что соответствовало «желтой полосе» дефектов в GaN, связанной с донорно-акцепторными парами и/или двойными донорами.

Вслед за компанией Nichia технологию выращивания светодиодных кристаллов на подложках из сапфира (Al2O3) стали применять и другие компании. Развитие шло довольно быстрыми темпами. Постепенно концентрации дефектов и дислокаций в структурах уменьшались, тем самым улучшалось их качество. На сегодня многие компании выпускают светодиодные кристаллы на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов, выращенных на подложках Al2O3, синего цвета свечения, с КПД порядка 40−45%.

Кроме технологии выращивания гетероструктур GaN и его твердых растворов на подложках Al2O3, существует альтернативная технология выращивания данных структур на подложках из карбида кремния (SiC). Компания Cree, основанная в 1987 г. как производитель полупроводниковых материалов на основе SiC, начала активные исследования по разработке светоизлучающих структур GaN и его твердых растворов на SiC-подложках в начале 90-х гг. прошлого века. С 2005 г. две компании -- Nichia и Cree -- обеспечивают более 80% мирового производства кристаллов синего и зеленого излучений. При этом Cree традиционно использует технологию эпитаксиального выращивания GaN на SiC-подложках, а Nichia Corporation -- на подложках из Al2O3.

Технология выращивания GaN на SiC имеет ряд принципиальных преимуществ перед технологией GaN на сапфире. Во-первых, SiC обладает на порядок большей теплопроводностью (3,8 Вт/см·К у SiC против 0,3 Вт/см·К у Al2O3). Это упрощает решение проблемы отвода тепла от активной области кристалла (p-n-перехода), являющейся ключевой для кристаллов с токами более 100 мА. Во-вторых, кристаллическая решетка 6H-SiC обладает лучшим, по сравнению с сапфиром, сродством с GaN, что принципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуре GaN и повышает квантовый выход кристаллов [7]. В-третьих, SiC, являясь полупроводником, позволяет разрабатывать на своей основе кристаллы с вертикальным механизмом протекания тока, что приводит к уменьшению сопротивления структур и снижению величины рабочего напряжения и, как следствие, снижению потребляемой мощности.

Для нового семейства кристаллов, разрабатываемого компанией Cree с 2004 г., удалось добиться отличных показателей эффективности. Квантовый выход кристаллов малого размера (приблизительно 0,3Ч0,3 мм) составил 55−75%, а у больших кристаллов (1Ч1 мм) типичный квантовый выход равен 40−55%. Кроме того, за счет вертикального протекания тока и улучшения контактной системы удалось получить прямое падение напряжения на кристалле при номинальном токе на 20% ниже, чем у других производителей.

Новое семейство кристаллов имеет ряд принципиальных технологических отличий, как, например, стравливание части SiC-подложки, толщиной до 0,035 мм, через маску с образованием линзовой системы, которая обеспечивает собирание светового потока с поверхности структуры и формирует стандартную кривую силы света, что упрощает нанесение люминофора на кристалл при производстве СД белого цвета свечения. Применение новой контактной системы позволило увеличить площадь поверхности излучения до 90%, а параллельное соединение перемычек контактов катода дополнительно вдвое снизило потери проводимости при повышенных значениях плотности.

5. Мощные светодиоды

В 2003 г. компанией Lumileds, образованной за несколько лет до этого корпорациями Philips и Hewlett Packard, был сделан первый мощный светодиод Luxeon I со световым потоком более 25 лм и световой отдачей более 20 лм/Вт. Светодиоды Luxeon I сразу превзошли по световой отдаче лампы накаливания почти в два раза, что позволило начать говорить о светодиодах как о новых и эффективных источниках света.

Одной из основных особенностей корпуса мощного светодиода является теплоотводящее основание, на которое осуществляется монтаж кристалла. Чаще всего кристалл монтируется в отражатель, находящийся на данном основании. Объем отражателя со смонтированным в нем полупроводниковым кристаллом заполняют оптическим гелем. Это, с одной стороны, увеличивает коэффициент вывода излучения из кристалла за счет большего соответствия показателей преломления, а с другой -- позволяет кристаллу и проволочным контактам не повреждаться при тепловом расширении под действием выделения тепла вследствие протекания электрического тока.

Теплоотводящее основание и заполненный гелем отражатель позволяют кристаллу в таком корпусе работать при более высокой температуре, а следовательно, и при повышенных значениях тока. Сверху заполненный гелем отражатель закрывается линзой, которая у разных производителей может быть изготовлена из различных материалов -- пластика, кварцевого стекла или полимерных материалов (силикона и т. д.). Линза жестко не фиксируется (поэтому получила название «плавающая линза»), держится за счет адгезии геля при полимеризации, что также дает возможность ей немного смещаться при тепловом расширении за счет нагрева светодиода. Оптическая система светодиодов в корпусе SMD обеспечивает достаточно широкие углы кривой светораспределения, обычно более 90°.

В середине 2004 г. подразделение Cree Lighting компании Cree Inc. выпустило свою первую серию мощных светодиодов XL7090, световой поток которых составлял порядка 55 лм, а световая отдача была около 50 лм/Вт. Эти светодиоды сразу встали в один ряд с аналогами конкурентов -- светодиодами компаний Nichia и Lumileds. В 2006 г. Cree Lighting разработала и запустила в производство серию мощных белых светодиодов -- XR-E7090. Световой поток их достигал значений 100 лм, а световая отдача была до 90 лм/Вт. К середине 2007 года стали доступны мощные светодиоды с оттенками свечения в холодном (5000−10 000 K), естественном (3700−5000 K) и теплом (2600−3700 K) белом диапазонах (рис. 9).

Рисунок 9 — светодиоды Cree холодного, естественного и теплого белого цвета

На сегодня наилучшими из достигнутых являются значения световой отдачи более 130 лм/Вт в диапазоне цветовых температур 4000−8300 K. Это значение получено компанией Cree на светодиодах серии XP-G, запущенных в массовое производство осенью 2009 г. Постепенно к этому уровню подходят и другие производители мощных светодиодов. В феврале 2010 г. Cree заявила о получении на лабораторных образцах значения световой отдачи более 200 лм/Вт при цветовой температуре 4570 K. Это достижение является пока рекордным для светодиодов.

Заключение

Светодиоды все более активно входят в нашу жизнь. Говорить о них как о будущих потенциальных источниках света начали в середине 90-х гг. ХХ в. с появлением белых светодиодов и продолжили в начале этого века с появлением первых мощных светодиодов.

Еще раз остановимся на некоторых фактах. В середине 90-х гг. прошлого века СД перекрывают весь видимый диапазон, сразу начинается их применение в светофорах, бегущих строках, экранах, рекламе. В начале 2000-х появляются первые мощные светодиоды со световой отдачей 25 лм/Вт, превышающей почти вдвое световую отдачу ламп накаливания. Как следствие, начинается применение светодиодов в качестве источников света в архитектурно-художественном освещении, где ими заменяют лампы накаливания. В 2006—2007 годах мощные светодиоды перекрывают весь белый диапазон и становятся доступны не только холодного, но естественного и теплого оттенков. Одновременно с этим начинаются первые проекты по внедрению светодиодов в качестве источников света в осветительных устройствах.

Сейчас световая отдача лабораторных образцов светодиодов некоторых производителей достигла значения 200 лм/Вт. Стоит ли ждать в скором времени массового применения светодиодов в качестве источников света в осветительных устройствах? Ближайшее будущее должно дать ответ на этот вопрос. Однако уже сейчас существуют программы по внедрению светодиодов в качестве источников света в освещение во всем мире (LED City в США, локальные программы переоборудования освещения в городах Европы). Все указанные факторы должны способствовать ускорению внедрения светодиодов в светотехнические устройства уже в ближайшее время.

Список литературы

1. Юнович А. Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов // Светотехника. 1996. №№ 5, 6.

2. Золина К. Г., Кудряшов В. Е., Туркин А. Н., Юнович А. Э. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами // ФТП. 1997. Т. 31. № 9.

3. Шуберт Ф. Е. Светодиоды. М.: ФизМатЛит. 2008.

4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: избранные труды. Л.: Наука. 1972.

5. Павличенко В И., Рыжиков И. В., Кмита Т. Г., Карагеоргий-Алкаев П.М., Лейдерман А. Ю. Электролюминесценция диодов из карбида кремния // ФТП. 1996. Т.8. № 4.

6. Violin E.E., Kalnin A. A., Pasynkov V. V., Tairov Y. M., Yaskov D. A. Silicon Carbide — 1968 // 2-nd International Conference on Silicon Carbide. Special Issueof Material Research Bulletin. 1969.

7. Edmond J.A., Kong H. S., Carter Jr. C. H. Blue LEDs, UV photodiodes and high-temperature rectifiers in 6H-SiC // Physica B. 1993.

8. Полищук А. Г., Туркин А. Н. Концепция применения светильников со светодиодами в целях реализации программы энергосберегающего освещения // Компоненты и технологии. 2007. № 11.

9. Туркин А. Н. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии. 2011. № 5.

10. Четверикова И. Ф., Чукичев М. В., Храмцов А. П. Оптические свойства нитрида галлия // Обзоры по электронной технике. 1982. Сер. 6. Вып. 1, 8.

11. Сапарин Г. В., Обыден С. К., Четверикова И. Ф., Чукичев М. В. Об аномальной кинетике катодолюминесценции в GaN // Бюлл. МГУ. Сер. 3. Физика и астрономия. 1983. Т. 24. № 3.

12. Перловский Г. В., Обыден С. К., Сапарин Г. В., Попов С. И. Температурная релаксация катодолюминесценции, стимулированной электронным пучком в GaN: Zn // Бюлл. МГУ. Сер. 3. Физика и астрономия. 1984. Т. 25. № 3.

Показать Свернуть

sinp.com.ua

Реферат Светодиоды и их практическое применение