Спектральная характеристика светодиода


Светодио́д

Светодио́д или светоизлучающий диод  —  создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет, в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации (соединении). Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа  например, GaAs, InP (фосфид индия), ZnSe (селенид цинка) или CdTe (теллурид кадмия). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN – нитрид галлия) до среднего инфракрасного диапазона (PbS – сульфид свинца).

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. Советский желтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался еще в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость.

Вклад совестких ученых

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Генри Раунд (англия) в 1907 году, Олег Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи спая. Теоретического объяснения явлению тогда не было. 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.

Характеристики светодиодов

Основные характеристики светодиодов – это их светоотдача, мощность, энергопотребление, индекс цветопередачи, ресурс светодиодов, яркость и многие другие. Разберем основные поподробней

  1. Эффективность (светоотдача).

Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:

    • лампочка накаливания: 10-12 лм/Вт;

    • газоразрядные лампы: 40-150 Лм/Вт

    • современные светодиоды: 50-120 Лм/Вт

    • представляемые светодиодные светильники: 80-90 Лм/Вт

    Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у высокоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

    .

    1. Мощность светодиодов.

    • малой мощности: 30-60 мА

    • малой средней мощности: 100-120 мА (используются в представляемых светильниках)

    • средней мощности: 350 мА

    • большой мощности: 1 А и более.

    В представляемых светильниках используются светодиоды малой средней мощности, т.к. самих диодов в светильнике достаточно много (72 шт.)

    1. Индекс цветопередачи.

    Этот параметр характеризует, насколько точно при данном освещении человеческий глаз воспринимает цвета. Сравнительный анализ идет с солнечным светом.

      • солнечный свет: 100%

      • лампа накаливания: 100%

      • светодиоды: 70-85%

      • металло - галогеновые лампы: более 95%

      • люминесцентные лампы: 40%

      Этот показатель источника света сильно влияет на утомляемость при работе с мелкими деталями, с каким-либо текстом. Для представляемых светильников он составляет около 80%, что является очень высоким показателем.

      1. Деградация (ресурс) светодиодов.

      Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более. Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация. Как правило: в пределах первых 1000 часов.

      Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В предлагаемых светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой. Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло..

      1. Яркость светодиодов

      Значимая характеристика, которая определяет качество светодиода, является яркость. Это величина, которая выражает отношение силы света к площади освещения. Единицей служит кандел на квадратный метр. Излучение светодиодов может быть как рассеянным, так и направленным. Внешняя среда может негативно сказываться на характеристиках светодиода, например, высокая температура приводит к снижению световой силы в несколько раз. Промышленные светодиоды обладают большим разбросом параметров. Высокой стойкостью должны обладать светодиоды, размещаемые в качестве наружной рекламы. Их рабочий диапазон от -40 до +80 градусов Цельсия, в котором не допускается снижение яркости свечения.

      Сводная таблица цветов и материалов светодиодов

      Как уже было сказано раньше, цвет светодиода зависит от вещества, из которого он изготовлен. 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 субстрата Кремний (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;

      studfiles.net

      Токовые характеристики силы излучения (силы света) в максимуме диаграммы направленности светодиода при различных температурах

        1. Фотоэлектрические процессы в светодиоде

      Принцип действия светодиодов основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с прямо смещенным p-nпереходом. Под действием напряжения прямого смещения уменьшается высота потенциального барьера p-nперехода, и в область перехода инжектируются основные носители заряда, где они рекомбинируют, испуская фотоны. Цвет свечения, возникающего при инжекционной электролюминесценции, зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и природы примесей, которые легированы в данный полупроводниковый материал. В настоящее время достигнут существенный прогресс в области физики и технологии изготовления эпитаксиальных светодиодных квантоворазмерных гетероструктур на основе твердых растворовAlGaInNиAlGaAsP, что позволило получитьь рекордные эффективности преобразования электрической энергии в световую (до 100 люмен/Ватт) для светодиодов в зеленом, синем и фиолетовом диапазонах спектра.

      Рис. 3.1. показывает конструкцию светодиода. Свет, излучаемый полупроводниковым кристаллом светодиода, попадает в миниатюрную оптическую систему, образованную сферическим рефлектором и самим прозрачным корпусом диода, имеющим форму линзы. Изменяя конфигурацию рефлектора и линзы, добиваются необходимой направленности излучения. Характерная для светодиода диаграмма направленности имеет максимум светового потока вдоль оси излучения, интенсивность которого спадает по мере отклонения от оси. Рис. 3.2. показывает схему включения светодиода на низких и на высоких частотах.

          1. Поперечное сечение светодиода

          1. Схема включения лазерного диода: а) на низких частотах, б) на высоких частотах

        1. Объект исследования

      В данной лабораторной работе исследуется квантоворазмерный GaAlAs суперяркий красный светодиод в 5 мм корпусе, предназначенный для осветительной техники. (Рис. 4.1.). Светодиод излучает в спектральном диапазоне от 615 до 705 нм (Рис. 4.2.). Центральная длина волны излучения светодиода равна 660 нм, доминирующая длина волны равна 640 нм, а ширина спектра излучения – 20 нм. Угол излучения составляет 22о (Рис. 4.3.).

          1. Внешний вид 5 мм светодиода

          1. Относительная спектральная характеристика квантоворазмерного GaAlAs суперяркого красного светодиода

          1. Диаграмма направленности квантоворазмерного GaAlAs суперяркого красного светодиода

        1. Описание измерительной установки и методов измерения

      Рис. 5.1. показывает блок-схему лабораторной установки, в состав которой входят:

      • стенд для измерения ватт-амперных характеристик инжекционного лазера при различных температурах;

      • вольтметр универсальный портативный В7-58/2;

      • персональный компьютер с COM-портом и с интерфейсной программой, управляющей работой стенда.

      1 – порт управления стендом

      2 – клемма заземления

      3 – разъем питания

      4 – входной ВЧ разъем светодиода

      5 – выходной электрический разъем фотодиода

      studfiles.net

      Работа № 2 исследование полупроводниковых светодиодов

      Целью работы является исследование характеристик и определение основных параметров полупроводниковых светодиодов.

      2.1. Основные сведения о полупроводниковых светодиодах

      Светодиоды – полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро-p-n-переход. Как правило, светодиоды работают в спектральном диапазоне 0,35...1,6 мкм. Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами – СИД. В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности. Также выделяют инфракрасные (ИК) и ультрафиолетовые (УФ) светодиоды. Особым классом светодиодов являются «белые» СИД, чье излучение охватывает практически весь видимый диапазон спектра. Белые светодиоды должны в перспективе заменить лампы накаливания в осветительных приборах благодаря высокой эффективности и значительно большему сроку службы.

      В основе действия полупроводниковых светодиодов лежит электролюминесценция. Люминесценция – это излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Электролюминесценция – это люминесценция, возбуждаемая внешним электрическим полем. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителей заряда через р-n-переход при приложении к нему прямого напряжения U. Такая люминесценция называется инжекционной.

      Энергетическая диаграмма р-n-перехода показана на рис. 2.1. Рассмотрим распределение носителей заряда по энергиям в n-области структуры при отсутствии внешнего напряжения (сечение А-А на рис. 2.1, а). Видно, что концентрация электронов в области сечения велика, а количество дырок очень мало. При смещении р-n-перехода в прямом направлении потенциальный барьер снижается на eU (рис. 2.1, б), электроны из n-области инжектируются в p-область, а дырки – в n‑область. За счет процессов рекомбинации концентрация неосновных носителей заряда убывает по экспоненциальному закону по мере их диффузии от области объемного заряда. Глубиной проникновения инжектированных носителей считают расстояние, на котором их концентрация уменьшится в е раз, т. е. диффузионную длину Ln в p‑мате­риале и Lp в n‑материале.

      Неравновесное распределение носителей заряда, возникающее в n- и р‑об­ластях за счет инжекции неосновных носителей через р-n-переход, может быть охарактеризовано с помощью квазиуровней Ферми. Это означает, что уровень Ферми будет расщепляться на два квазиуровня отдельно для электронов Fn* и дырок Fp*, как показано на рис. 2.1, б. По мере удаления от области объемного заряда квазиуровни Ферми будут приближаться к равновесному уровню, сливаясь с ним. На расстоянии, равном диффузионной длине Ln или Lp, неравновесный квазиуровень Ферми снижается (для электронов) или повышается (для дырок) приблизительно на kT от максимального значения на границе p‑n‑перехода.

      Интенсивность инжекции неосновных носителей заряда через p‑n‑пе­реход определяется величиной прямого напряжения U, приложенного к струк­туре. Максимальная величина напряжения Umax в этом случае определяется полным спрямлением потенциального барьера, поскольку потенциальный барьер можно почти полностью «убрать» внешним полем, но невозможно сделать его отрицательным. Тогда, как видно из рис. 2.1, eUmax ≈ Eg и типичные значения рабочего напряжения Uраб ≈ 1…4 В. При этом необходимо учитывать, что при протекании тока часть напряжения падает в базовых областях и на контактах. Типичные значения рабочего тока светодиодов составляют 0,1...300 мА. Они зависят от площади p-n-перехода и ограничены нагревом.

      Рис. 2.1. Энергетические диаграммы и распределения носителей заряда по энергиям (сечение А-А) для p-n-перехода: а – при отсутствии внешнего напряжения, б – при приложении напряжения U в прямом направлении

      Инжекционная люминесценция обусловлена рекомбинацией неравновесных носителей заряда. Такое излучение часто называют рекомбинационным. Однако вклад в люминесценцию дает только излучательная рекомбинация, при которой избыточная энергия рекомбинирующих частиц выделяется в виде кванта электромагнитного излучения – фотона. Безызлучательная рекомбинация, приводящая к рождению фононов (разогреву кристаллической решетки), нежелательна и снижает эффективность работы светодиода. Полное число излучательных переходов в единицу времени в единице объема пропорционально произведению концентрации свободных электронов n и дырок p

      где постоянная В определяется скоростью рекомбинации R0 и собственной концентрацией носителей заряда в полупроводнике ni в соответствии с соотношением

      (2.2)

      Скорость рекомбинации связана с показателем поглощения kω соотношением Ван-Русбрека–Шокли:

      .

      (2.3)

      Для прямых разрешенных межзонных переходов коэффициент (показатель) поглощения пропорционален корню из энергии

      .

      (2.4)

      Подставив выражения (2.2)–(2.4) в (2.1), получаем спектр собственной люминесценции для переходов зона–зона

      .

      (2.5)

      К наиболее распространенным светодиодам относятся СИД на основе арсенида галлия. Прямая структура энергетических зон GaAs позволяет создать прибор с высокой эффективностью преобразования электрической энергии в излучение. Кроме того, из всех прямозонных полупроводников GaAs является наиболее технологически освоенным. Светоизлучающие диоды на основе арсенида галлия работают в ближней инфракрасной области спектра. Важно, что спектр излучения GaAs-светодиодов очень хорошо соответствует спектру фоточувствительности Si-фотодиодов.

      Понятно, что изменить местоположение максимума спектральной характеристики СИД на основе бинарных соединений (А3В5, А2В6 и др.) практически невозможно, поскольку ширина запрещенной зоны полупроводника постоянна при неизменной температуре. Поэтому в полупроводниковой оптоэлектронике в основном используют твердые растворы этих соединений. Важнейшим преимуществом таких растворов является возможность плавно и в широких пределах регулировать основные характеристики твердого раствора путем изменения его состава при минимальном рассогласовании параметров решетки.

      Светодиоды для области более 1 мкм изготавливаются на основе прямозонных твердых растворов GaxIn1–xAs и GaxIn1–xPyAs1–y. Для них преобладающей является квазимежзонная излучательная рекомбинация. Важно, что максимум спектра излучения таких светодиодов задается составом твердого раствора. Изменяя х и у, можно изготовить светодиод для заданной области спектра, например совпадающую с минимумом потерь в оптическом волокне или с максимумом спектра поглощения какого-либо вещества, концентрацию которого предстоит контролировать.

      Светодиоды для области спектра λ > 5 мкм могут быть изготовлены на основе халькогенидов свинца: PbxSn1–xTe, PbxSn1–xSe и ртути: CdxHg1–xTe.

      Светоизлучающие диоды для красной области спектра изготавливают из прямозонных твердых растворов AlxGa1–xAs и GaAs1–xPx, x < 0,4 (используются квазимежзонные переходы), а также из непрямозонного GaP, легированного (Zn + O), где используется излучательная рекомбинация экситонов, связанных на изоэлектронном комплексе (Zn – О).

      Первые светодиоды, излучающие в оранжевой, желтой и зеленой областях спектра, создавались на основе непрямозонного твердого раствора GaAs1–xPx (x > 0,6), легированного азотом. Азот в этом материале является эффективной изоэлектронной ловушкой и существенно повышает вероятность излучательной рекомбинации. В светодиодах на основе GaP:N кроме основной полосы с максимумом λ = 0,565 мкм в зеленой области спектра, как правило присутствует дополнительная красная полоса λmах = 0,7 мкм, обусловленная остаточным кислородом в активном эпитаксиальном слое диода. В последние годы благодаря успехам технологии широкое распространение получили высокоэффективные красные и желтые светодиоды на основе четырехкомпонентного твердого раствора с прямой структурой энергетических зон AlxGayIn1–x–yP.

      Светоизлучающие диоды коротковолновой области видимого спектра, работающие в голубом, синем и фиолетовом диапазонах, могут быть созданы на основе нитрида галлия GaN и гетеропереходов с использованием твердых растворов GaxIn1–xN и Ga1–xAlxN.

      В белых светодиодах используется коротковолновый GaN-GaxIn1–xN-светодиод с нанесенным на его поверхность специальным люминофором, осуществляющим преобразование синего излучения в желто-зеленое. В качестве люминофора используются некоторые диэлектрики, в частности алюмоиттриевые гранаты, активированные редкоземельными ионами. Белое излучение создается в результате суммирования излучения светодиода и люминофора.

      В светодиодах на основе гомопереходов вывод излучения осложняется большим самопоглощением, поскольку ħω ≈ Eg. Значительные преимущества дает использование при создании СИД структур с гетеропереходами, а также двойных гетероструктур.

      Гомопереход образуется в полупроводнике за счет искусственно созданного распределения примесей. Гетеропереход представляет собой контакт (переход) на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов (полупроводников), осуществленный в одном кристалле. В зависимости от скорости изменения основных параметров по координате различают резкие и плавные гетеропереходы. В резком гетеропереходе это изменение происходит на уровне одного или двух-трех молекулярных слоев. В плавном гетеропереходе контактная область простирается на десятки, а иногда и сотни периодов решетки (молекулярных слоев).

      Гетеропереход называется изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом электропроводности, и анизотипным, если образующие его материалы обладают разными типами электропроводности. При обозначении гетероперехода принято указывать тип проводимости полупроводника с узкой запрещенной зоной строчными буквами n или р, а полупроводника с широкой запрещенной зоной – прописными буквами N или Р. На первом месте обычно указывают тип электропроводности более узкозонного материала; так, изотипные гетеропереходы обозначают n-N или p-P, а анизотипные гетеропереходы – n-Р или p-N.

      В области контакта двух различных по химическому составу материалов происходит не только изменение ширины запрещенной зоны, но и других электрофизических характеристик материала, в том числе диэлектрической проницаемости, электронного сродства, геометрических параметров решетки, эффективной массы носителей заряда и их подвижности. На границе раздела возможно появление различных дефектов, что является нежелательным. Гетеропереход, в котором на границе раздела двух материалов отсутствуют поверхностные состояния, называется идеальным. Наиболее сильное влияние на отклонение свойств гетероперехода от идеального оказывает различие в параметрах решеток и в температурных коэффициентах линейного расширения материалов, образующих гетеропереход. По этой причине относительное значение разности параметров решеток двух контактирующих материалов

      обычно не должно превышать 0,1 %. Дополнительным условием является совпадение их кристаллохимической природы.

      Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют трех- и че­тырехкомпонентные твердые растворы в группе полупроводниковых соединений А3В5: GaAs–AlAs (AlxGa1–xAs), GaSb–AlSb (AlxGa1–xSb), GaP–AlP (AlxGa1–xP), Ga–In–As–P (GaxIn1–xPyAs1–y).

      В отличие от идеального, в реальном гетеропереходе на границе раздела всегда присутствуют поверхностные состояния. Важно, чтобы их влияние на свойства p-n-перехода было малό. В трехкомпонентных твердых растворах изменение состава приводит одновременно к изменению как периода идентичности решетки, так и ширины запрещенной зоны. В четырехкомпонентных твердых растворах типа GaxIn1–xPyAs1–y изменением х и у можно в некоторых пределах независимо изменять параметры решетки и ширину запрещенной зоны. При определенных соотношениях между х и у можно подобрать такой ряд растворов, в котором ширина запрещенной зоны будет изменяться при неизменном периоде идентичности решетки. Такой ряд твердых растворов называют изопериодным. Гетеропереходы, изготовленные на основе изопериодных твердых растворов, по своим характеристикам наиболее близки к идеальным.

      Энергетические зонные диаграммы p-N- и n-Р-гетеропереходов представлены на рис. 2.3. Вследствие скачка диэлектрической проницаемости и электронного сродства контактирующих материалов в резких гетеропереходах появляются разрывы в валентной зоне (ΔEv) и в зоне проводимости (ΔEc), соотношение между которыми различно для разных материалов.

      Рис. 2.2. Энергетические диаграммы N-р- в P-n-гетеропереходов: а – в условиях теплового равновесия, б – при смещении в прямом направлении

      Важнейшей характеристикой светодиодов является эффективность η преобразования электрической энергии в световую. Эффективность светодиода представляет собой его кпд и связана с внешним квантовым выходом электролюминесценции ηе соотношением

      ,

      (2.6)

      где ħωmax – энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, Uраб – приложенное внешнее напряжение. Одним из основных факторов, определяющих эффективность СИД, является структура диода и тип перехода, используемый в ней. Применение гетероструктур позволяет увеличить η светодиода в несколько раз.

      Значение внешнего квантового выхода ηе будет определяться внутренним квантовым выходом люминесценции ηi, коэффициентом инжекции ηI и оптической эффективностью вывода света ηo:

      Проанализируем вклад в общую эффективность каждого из входящих в (2.7) сомножителей.

      Внутренний квантовый выход люминесценции ηi определяется соотношением вероятностей излучательной τизл и безызлучательной τби рекомбинаций

      .

      (2.8)

      Он зависит от особенностей зонной структуры полупроводника, типа легирующих примесей и их концентрации, а также от степени совершенства материала. Важно, чтобы скорость излучательной рекомбинации превышала скорость безызлучательной. По этой причине для изготовления светодиодов предпочтительнее использовать полупроводники с прямой структурой энергетических зон, поскольку вероятности излучательных переходов там существенно выше, чем в непрямозонных материалах.

      Как правило, излучательная рекомбинация преобладает в одной из областей (р- или n-), прилегающих к p-n-переходу. Поэтому р-n-переход в светодиоде должен обеспечить преимущественную инжекцию неосновных носителей заряда в ту область, где ηi максимален. Если активной областью с высоким ηi является р-область материала, тогда коэффициент инжекции ηI есть отношение электронного тока Ie к полному току I, протекающему через р-n-переход в прямом направлении:

      .

      (2.9)

      Наилучшие условия для односторонней инжекции обеспечиваются в гетеропереходе, где осуществляется преимущественная инжекция из широкозонной области в узкозонную.

      Коэффициент вывода света ηo определяется процессами распространения света в активном материале, его отражением и поглощением на границах раздела, в том числе процессами полного внутреннего отражения. Величина ηo представляет собой оптическую эффективность вывода из кристалла излучения, генерируемого в активной области светодиода. Из-за большого значения показателя преломления n полупроводника из диода может выйти только малая часть света, падающего на верхнюю грань в пределах конуса с критическим углом

      .

      (2.10)

      Если пренебречь поглощением внутри диода, то доля излучения, которое может быть выведено из светодиода с плоской геометрией через его верхнюю грань при первом падении на нее световой волны, составляет

      ,

      (2.11)

      где Т – коэффициент пропускания света.

      Коэффициент вывода света ηo можно повысить, увеличивая критический угол θкр и уменьшая отражение в пределах выходного конуса. Для этого над кристаллом светоизлучающего диода размещают линзу, имеющую полусферическую, усеченную сферическую или эллипсоидальную геометрию. Использование линзы позволяет увеличить телесный угол θкр, что приводит к возрастанию значения ηo почти на порядок. Меняя форму линзы, можно также регулировать диаграмму направленности светодиода.

      Современные светодиоды выполняются на основе ДГС. Для повышения эффективности оптического вывода используются различные методы, в частности интерференционные зеркала. На рис. 2.3, а показана светодиодная структура, выращенная на низкоомной (высоколегированной) n+‑подложке. Такая подложка требуется для обеспечения минимальных омических потерь, хорошего растекания тока и качественного теплоотвода. К сожалению, высокое легирование приводит к возрастанию влияния эффектов самопоглощения. Кроме того, в ряде случаев ширина запрещенной зоны подложки может быть меньше энергии излучаемых фотонов, т. е. материал будет непрозрачен для излучения светодиода. Для ограничения проникновения фотонов в подложку можно использовать интерференционные зеркала, называемые также распределенными брэгговскими отражателями (РБО). Для создания РБО выращиваются чередующиеся слои полупроводниковых соединений, удовлетворяющие условию n1d1 = n2d2 = λ/4. Интерференция, возникающая при многократном отражении от границ слоев, приводит к максимуму отражения и минимуму пропускания для излучения с длиной волны λ. Важно, что РБО отражает фотоны, но не препятствует движению носителей заряда через подложку. Это позволяет наносить отрицательный электрод на нижнюю поверхность кристалла.

      Излучающая часть СИД представляет собой ДГС, активная область которой может содержать квантоворазмерные структуры. Вывод излучения осуществляется через широкозонный P‑эмиттер и второй брегговский отражатель, выполняющий функцию просветляющего покрытия и удовлетворяющий условию интерференции на максимум пропускания (минимум отражения): n1d1 = n2d2 = λ/2. Для обеспечения хорошего омического контакта перед напылением металла на структуру наносят высоколегированный p+‑слой. Для снижения поглощения света в верхнем электрическом контакте, имеющем кольцевую форму, боковые области полупроводника подвергают ионной бомбардировке для придания им свойств полуизолятора и вытеснению тока в центральную часть кристалла. Вместо бомбардировки можно также использовать контакты специальной формы – в виде креста, точки и т. п.

      Поскольку нитридные СИД в настоящее время выращиваются на чужеродных подложках, часто обладающих диэлектрическими свойствами, то наносить отрицательный контакт на обратную часть структуры в них нельзя. Контакты в таких светодиодах приходится делать с одной стороны, но на разных уровнях (рис. 2.3, б). На подложке сапфира или карбида кремния после буферного слоя выращивается толстый слой n+‑GaN, к которому будет присоединен катод, затем ДГС с активной областью, содержащей множественные квантовые ямы, и слой p‑GaN для положительного контакта. Для получения доступа к n+‑области вытравливается мезаструктура, после чего наносится отрицательный контакт. Поскольку сапфировые подложки характеризуются низкой теплопроводностью, то для улучшения теплоотвода светодиодные структуры часто устанавливают в «перевернутом» виде – p‑областью вниз (flip-chip). Излучение в этом случае выводится через подложку, прозрачную для коротковолнового света.

      Как следует из (2.5), спектр излучения СИД определятся тремя основными факторами: коэффициентом Ф0, шириной запрещенной зоны Eg и температурой Т. Рассмотрим влияние этих факторов более подробно.

      а б

      Рис. 2.3. Структуры светодиодов:а– с интерференционными зеркалами (распределенными брегговскими отражателями;б–flip-chipна основе полупроводниковых нитридов

      К

      а б

      Рис. 2.4. Ватт-амперная характеристика: а – светодиода; б – лазерного диода

      оэффициент Ф0

      Iпор

      по существу определяет мощность излучения светодиода в максимуме спектральной характеристики. Мощность излучения зависит от числа рекомбинационных переходов с испусканием фотона, которое в свою очередь определяется вероятностью таких переходов, внутренней квантовой эффективностью и числом носителей заряда в активной области (АО). Концентрация электронов зависит от интенсивности инжекции в структуре, т.е. от прямого тока Iпр. Таким образом, изменение коэффициента Ф0

      Iпор

      соответствует ватт-амперной характеристике СИД (ВтАХ). Общий ход ВтАХ СИД и инжекционного полупроводникового лазера (ИПЛ) представлен на рис. 2.4. При малых токах мощность излучения светодиода линейно увеличивается с ростом накачки. Отклонение от линейности обусловлено самонагревом кристалла, приводящего к увеличению доли безызлучательных переходов. Безызлучателная рекомбинация приводит к дополнительному нагреву кристалла, что при дальнейшем росте тока может приводить к явлениютемпературного гашения люминесценции и полному прекращению излучения, а в некоторых случаях и выходу СИД из строя.

      В отличие от светодиодов ватт-амперная характеристика лазерного диода носит пороговый характер. До I < Iпор лазерный диод работает в светодиодном режиме и испускает ненаправленное спонтанное излучение. Низкий внешний квантовый выход в этом режиме обусловлен потерями на поглощение в пассивных областях и контактах, отражением при выходе излучения и полным внутренним отражением. При I > Iпор на рабочем участке ватт-амперной характеристики наблюдается резкое возрастание мощности через зеркала резонатора вследствие преобладания вынужденной рекомбинации носителей. При этом происходит уменьшение интенсивности спонтанного излучения, регистрируемого через боковую поверхность. Пропускание слишком высоких токов накачки приводит к выходу лазера из строя. Основными причинами является перегрев кристалла и разрушение зеркал резонатора.

      Ширина запрещенной зоны Eg определяет местоположение спектра на оси энергий или длин волн. В идеальном СИД излучение начинается с энергий равных ширине запрещенной зоны, а максимум спектра лежит на расстоянии kT/2 от Eg. В реальных СИД всегда присутствуют состояния, лежащие внутри запрещенной зоны (примеси и иные дефекты), поэтому излучение начинается при энергиях меньших Eg, а максимум спектра приблизительно соответствует ширине запрещенной зоны. Сильное влияние на спектр излучения СИД оказывает температурное изменение ширины запрещенной зоны материала, которое приводит к увеличению максимальной длины волны излучения при росте Т. Разогрев может происходить не только при изменении температуры внешний среды, но и при пропускании прямого тока через структуру.

      В случае использования квантоворазмерных структур (КРС) при создании СИД длинноволновая граница излучения определяется не Eg, а минимальным расстоянием между уровнями размерного квантования. На изменение положения максимума спектральной характеристики при увеличении прямого тока в этом случае влияние оказывают не только самонагрев, но и квантоворазмерные эффекты, перераспределение носителей между уровнями и наличие хвостов плотностей состояний, в большинстве случаев приводящие к сдвигу максимума спектра в направлении противоположном температурному изменению ширины запрещенной зоны. Большинство коротковолновых СИД создаются на основе полупроводниковых нитридов с использованием КРС, поэтому при низких токах в таких структурах наблюдается коротковолновый сдвиг максимальной длины волны излучения.

      Из (2.5) видно, что ширина спектра пропорциональна kT. Таким образом, при увеличении температуры происходит уширение спектральных характеристик излучения светодиодов.

      studfiles.net

      Последние разработки в технологии светодиодов

      Полупроводники произвели революцию в освещении.  Неорганические и органические светодиоды (в английском варианте LED и OLED) – это два источника света, из которых состоят светодиодные источники света. В перспективе они могут заменить другие источники света, такие как газоразрядные и люминесцентные лампы, излучающие энергию в видимом диапазоне и, где видимый свет выделяется в основном люминофором, который, в свою очередь светится, под воздействием разряда ультрафиолетового излучения.

       

       

      Развитие светодиодов (LED), которые выдают концентрированный луч света, началась за 10 лет до разработки органических светодиодов (OLED). Основа светодиодов (LED) –это неорганические (неуглеродные) материалы, которые обеспечивают рассеянный свет. Органический светодиод (OLED) состоит из слоя полупроводникового полимера. Полимер находится между двумя проводящими слоями, которые действуют как электроды. Когда ток проходит между электродами, полимер излучает свет. Свет создается электронами, которые освобождаются из одного электродного слоя, попадая в положительно заряженные отверстия, которые были получены в результате взаимодействия полимера с другим слоем.

       

      Закон Хайтца

      Тенденции в компьютерной индустрии описываются законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в интегральных схемах удваивается каждые 2 года. Светодиодная же промышленность сделала следующий шаг после открытия закона Хайтца, названного в честь доктора Роланда Хайтца, бывшего научного сотрудника компании Agilent. Он предсказал, что эффективность светодиодов - количество света, которое может быть произведено диодом - увеличивается в двадцать раз каждые десять лет, а стоимость этого освещения уменьшается в десять раз. То же самое бывает с эффективностью производства, где на протяжении последних трех десятилетий происходит  сокращение расходов на полупроводниковые компьютерные чипы, что способствует росту рынка светодиодного освещения.

       

      Хотя светодиоды высокой яркости (HBLED) в настоящее время при выходе из производства имеют рентабельность около 30% а также некоторые недостатки в работе, в число их преимуществ входит направленный свет, компактный размер, ударопрочность, управляемость, мгновенное включение, отсутствие инфракрасного или ультрафиолетового излучения, относительно длительный срок службы и производительности, отсутствие тепла при излучении и ртути в их содержании.

       

      Понимание светодиодного чипа

       

      До сих пор светильники состояли из сменного источника света удерживаемого патроном внутри металлического корпуса. Таким образом, первым крупным рынком для продаж светодиодов  будет рынок ламп PAR и ламп накаливания, которые скоро могут быть запрещены. Следовательно, производители предлагают лампы высокой яркости (HBLED лампы) как энерго-эффективную замену для миллионов патронов, используемых сейчас под нерентабельные и непродуктивные источники освещения, и это тот рынок, который будет открыт для светодиодов на протяжении многих лет.

       

      Министерство энергетики США (DOE) занимается развитием технологий светодиодов высокой яркости через отраслевые союзы, мастерские, разработку стандартов качества, тестирование их в специальных программах сертификации, таких как SSL, ENERGY STAR, Alliance (NGLIA). Прикладывая эти усилия, министерство энергетики содействует разработке и производству новых систем освещения, которые позволяют оптимизировать все характеристики светодиодов.

       

      HBLED источники, которые разрабатываются сегодня, сильно отличаются друг от друга по своей конструкции и особенностям. Их производители находятся в постоянном поиске способов получения большей яркости в крошечных кристаллах и увеличения цветостойкости. Они монтируют диоды в матрицы, панели, линейки чтобы добиться соответствия или превосходства светоотдачи и энергоэффективности над традиционными источниками, которые обладают более равномерным распределением света.

       

      Мы находимся у истоков HBLED развития, поэтому относительно производительности светодиодов высокой яркости неоднократно делались ложные заявления, и предоставлялась недостоверная информация, замедляя их вступление в светотехнический рынок. Понятно, что единственный способ избежать путаницы и подтвердить заявленные производителем характеристики, заключается в применении определенных стандартов. Таким образом, в 2008 году были утверждены 3 стандарта качества, отражающие уникальные эксплуатационные характеристики светодиодов: световой поток, управление температурным режимом внутри светильника и насыщенность цвета.

       

      • Первые и основные руководящие технические принципы, разработанные Обществом светотехники Северной Америки (IESNA), называются IESNA LM-80, «Утвержденный метод измерения светового потока светодиодных источников света".  Этот доклад устанавливает процедуры тестирования и определения количества люменов в светодиодных устройствах, и это не прямое измерение светового потока всего прибора. Так как главной проблемой является чувствительность светодиодов к высоким температурам, LM-80 требует тестирования в трех основных температурах: 50 ° C (122 ° F), 85 ° C (185 ° F) и третьей температуре, выбранной производителем.

       

       

       

      У светодиодов срок службы превышает 50 000 часов, что составляет 5,6 лет, поэтому полное тестирование срока службы не практично. По этой причине доклад под названием ТМ-21 " Метод вычисления сроков снижения  яркости у светодиодных источников света", описывает, как экстраполировать краткосрочные тестовые данные, чтобы предсказать снижение светового потока в течение всего времени работы. Световой поток измеряется каждые 1000 - 6000 часов. Снижение объемов производства в этих шести точках заносятся в таблицу и экстраполируются на 36 000 часов. Если светодиод проверяется  каждые 10000 часов, экстраполяция может быть расширена до 60000 часов. Когда световой поток падает, оставшиеся 30% считается концом срока полезного использования светодиодных источников. Т.к. чрезмерное изменение цветовой температуры является еще одной единицей измерения срока службы, LM-80 рекомендует также тестирование цветности источника света.

       

      • Второе техническое руководство под названием IESNA LM-79, «Утвержденный метод для электрического и фотометрического тестирования полупроводниковых осветительных приборов", заявляет, что SSL-продукты не поддаются традиционному фотометрическому тестированию, в результате чего в лампах и светильниках измерения происходят отдельно, сравнительным фотометром. Тестирование LM-79 проверяет электрические характеристики, световой поток, распределение силы света и цветовых характеристик, а также информирует о типичном времени и  сроках распределения световой интенсивности в форматах  таблицы и графика. Для описания цветовых характеристик, спектральное распределение мощности продукта (SPD) представлено в формате графика (рис. 1), таким образом, чтобы пользователь мог оценить относительную величину мощности излучения (в милливатт на нанометр или мВт / нм) во всем диапазоне длин волн в видимой области спектра (в нанометрах или нм).

       

      • Для определения уникальных цветовых характеристик светодиодов, Американский национальный институт стандартов (ANSI) опубликовал "Технические требования к цветности полупроводниковых осветительных приборов” или ANSI C78.377-2008.  В отличие от существующих источников света, излучающих ненасыщенные цвета, светодиоды обеспечивают цветовую насыщенность. Два слоя кристаллических материалов, используемых в матрице, определяют длину волны или цвет светодиода. Например, красный цвет исходит из алюминия-галлия арсенида (AlGaAs), синий из индия-галлия нитрида(InGaN), а зеленый из алюминия-галлия фосфида (AlGaP).

       

      Определение характеристик цвета светодиода

       

      Свет это излучаемая солнцем энергия, которая охватывает часть электромагнитного спектра,  называемого видимым спектром света. Он распространяется вверх по длине волны от фиолетового (380 нм) до красного (620 нм до 760 нм), а равномерный баланс этих длин волн составляет чистый белый видимый свет.

       

      В прошлом, из-за ограничений в технологии люминофора, производители флуоресцентных ламп призвали пользователей принять "белый" цвет этих ламп с субъективными условиями, такими как «теплый белый» или «холодный белый». А чтобы конкретизировать «тепло» или «холод» света создали сравнение с лампами накаливания. Светодиодные источники света имеют те же проблемы: ограничение люминофора в светодиоде в процессе производства, и, вследствие этого, возникающие трудности в получении точной длины волны в одной светодиодной матрице, а также ненасыщенный свет ею излучаемый. Таким образом, два условия используемых в индустрии освещения - цветовая температура и индекс цветопередачи - играют важную роль в новых стандартах, принятых для производства светодиодов высокой яркости (HBLED). Давайте рассмотрим эти два условия для того, чтобы лучше понять их значение.

       

      Цветовая температура выражает сравнительный внешний вид цвета белого источника света. Он может быть более желтым / золотым (теплым) или более синим (холодным) с точки зрения диапазона оттенков белого цвета. Надо учитывать, что дневной свет содержит все цвета видимого спектра, но мы судим о дневном свете, как о «теплом» на восходе и закате солнца и "холодном" в полдень в пасмурный день.

       

      Понимание температуры цвета начинается с понимания излучения нагреваемого объекта, называемого «абсолютным черным телом» и температурной шкалы Кельвина. Теоретические черное тело является объектом, который не имеет цвета, и черное потому, что впитывает в себя все излучения, падающие на его поверхность, и само ничего не излучает при температуре цвета 0 К. На температурной шкале, 0 Кельвинов соответствует -273 ° C, или абсолютному нулю, когда все молекулярное движение прекращается. В природе абсолютно черных тел не существует. Теоретическое черное тело создается искусственно из тугоплавкого черного металла из углерода и вольфрама с небольшим отверстием, через которое пропускается электрический ток, и на начальном этапе ничего не излучает. Однако когда черное тело нагревается, оно излучает видимый спектр – со сменой цвета поверхности с красного на оранжевый, затем на желтый и, наконец, сине-белый цвет, переходя от 1000 К до 6500 К.

       

      Таким образом, цветовой температурой источника света является температура, при которой нагреваемый объект, называемый «абсолютным черным телом-излучателем» совпадает с цветом источника света. Это означает, что если мы сравним цвет лампы с черным телом при 6500 К (цвет пасмурного неба), для наблюдателя они будут одинакового цвета. Другой термин определения температуры цвета - это цветность.

       

      Обозначение температуры цвета в точности действительно только для ламп накаливания, поскольку, как упоминалось выше, они излучают непрерывный спектр цвета с единой температурой 2700 К. Все остальные источники света, лампы дугового типа или индустриальные газоразрядные лампы, существовавшие до изобретения светодиодов высокой яркости, излучающие прерывистый спектр цвета, имеют так называемую относительную цветовую температуру (CCT). Стандарт ANSI C78.377-2008 определяет восемь приемлемых световых температур для светодиодной продукции, начиная от 2700 K (по аналогии с лампами накаливания) до 6500 К (по аналогии с лампами дневного света).

       

      Это изменение цвета в видимом спектре с использованием температуры цвета, измеряемой в Кельвинах, отображаются на диаграмме цветности Международной комиссии по освещению (CIE в английском варианте) основа которой - траектория абсолютного черного тела. По сути, с помощью графика с осями X и Y, диаграмма имеет полный спектр цветов, которые представлены их длинами волн и расположенными по всему краю "треугольника" или "цветового пространства", как показано на рис. 2

       

      Рис. 2

       

      Периметр треугольника охватывает спектрально чистые цвета в диапазоне от красного до синего (выделить конкретный спектральный цвет без использования приборов в природе невозможно, так как видимый солнечный спектр непрерывен, и в нём можно найти многочисленные оттенки цвета).  Цветовая диаграмма представляет все возможные цвета, которые могут быть получены из спектрально чистых цветов. Цветовой путь черного тела отображается "линией черного тела" в диаграмме цветности. Если температура "черного тела" повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает.

       

      Индекс цветопередачи (CRI) – ключевая характеристика в выборе источника света - использовался для сравнения люминесцентных и газоразрядных ламп на протяжении более чем 40 лет. Он характеризует уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света, используя шкалу от 0 до 100. Чтобы получить индекс цветопередачи средняя разница, полученная при измерении, вычитается из 100. Если тестируемая лампа имеет цветовую температуру менее 5000 K, то черное тело приравнивается по свечению к лампе накаливания.

       

      Индекс цветопередачи ссылается на лампы накаливания, потому что вольфрамовая нить похожа на абсолютное черное тело. Таким образом, источник лампы накаливания имеет очень высокий индекс цветопередачи - около 100. В настоящее время CRI также используется для определения возможности цветопередачи  у светодиодов высокой яркости, и результаты этих измерений используются для целей создания спецификаций и сертификации в рамках программы Energy Star.

       

      Тем не менее, в техническом отчете 177:2007 "Цветопередача белых светодиодных источников света", комиссия по освещению пришла к выводу, что существующий индекс цветопередачи не является оптимальным для определения возможности цветопередачи светодиодных источников белого цвета. Исследования показывают, что даже светодиоды с низким CRI могут излучать визуально привлекательный свет. В результате, Национальный Институт Стандартов и Технологий (NIST) разработал новый стандарт измерения, в котором изменения цветового тона и насыщенности не будут оцениваться одинаково.

       

      Новый стандарт, который называется шкалой оценки качества спектрального состава света (в английском варианте CQS) предполагает более точно отражать видимые проявление белого цвета, в том числе и у нескольких светодиодов, создающих при одновременном включении белое свечение. Новый стандарт будет применяться для всех существующих источников белого света, как полупроводниковых, так и традиционных ламп. Это решение имеет большое значение для производителей наружного освещения, которые пытаются создавать светодиоды с теми же стандартами цветопередачи, как у других источников света.

       

      Теперь, когда мы рассмотрели основы  светодиодных технологий, а также последние разработки стандартов в этой сфере, обратимся к изготовлению деталей, получению максимального светового потока и электронному управлению этими технологиями, которые будет рассмотрены в следующей статье.

       

      www.ksinit.ru


      Смотрите также