2.11. Светоизлучающие диоды

Рассмотрим краткие сведения о твердотельных источниках света –светоизлучаюших диодах (СИД). СИД – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения, в основе которого лежит инжекционная электролюминесценция. В этих излучателях используются полупроводники, проводимость которых определяется введенными в них легирующими примесями. Если к «р–п» переходу такого полупроводника приложить напряжение прямой полярности в несколько вольт, обеспечив тем самым инжекцию носителей заряда, то они будут рекомбинировать в зоне контакта с испусканием фотонов. Чтобы фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны должна быть относительно большой (>1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, используются в основном следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия, карбид кремния, твердые растворы (галлий–мышьяк–фосфор и галлий–мышьяк–аллюминий), а также нитрид галлия. Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ – активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения диодов.

Соотношение между излучательными и безызлучательными рекомбинациями в диодной структуре характеризует ее внутренний квантовый выход, который в современных светоизлучающих диодах составляет единицы процентов, и этого оказывается достаточно для создания качественных приборов. Основным технологическим методом изготовления светоизлучающих диодных структур является метод наращивания (жидкофазного или напыление из газовой фазы). При жидкофазном наращивании осуществляется принудительное заливание подложки расплавом, содержащим необходимые примесные компоненты, после чего на подложке формируется пленка. Напыление из газовой фазы представляет собой синтезирование вещества в результате термохимических реакций на исходной подложке.

К основным достоинствам светодиодов можно отнести:

• низкое потребление энергии – не более 10% от потребления ламп накаливания;

• долгий срок службы – до 100 000 часов;

• высокий ресурс прочности – ударная и вибрационная устойчивость;

• чистота и разнообразие цветов, направленность излучения;

• регулируемая интенсивность;

• низкое рабочее напряжение;

• экологическая и противопожарная безопасность (не содержат в своем составе ртути и почти не нагреваются);

• компактность.

К недостаткам светодиодов можно отнести их более высокую стоимость по сравнению с другими источниками освещения на настоящий момент.

Достоинства твердотельных источников света по прогнозам развития осветительной техники оправдают вложенные затраты и в скором времени придут на замену ЛН и ЛЛ. Главными преимуществами эксплуатации твердотельных источников света являются их небольшие размеры, долговечность и низкое потребление, поэтому они являются основными претендентами на замену ЛН и ЛЛ. В то время как существующие на сегодняшний день источники освещения достигли своей максимальной световой эффективности, СИД приблизились к 10% своих возможностей. Светодиоды, как твердотельные источники света, не содержат стекла, нитей накаливания или сменных деталей, их сложно разбить, и они менее чувствительны к колебаниям напряжения и частоты в электросети.

Основными параметрами промышленных светоизлучающих диодов являются:

1. сила света или кривая сил света (указывается при заданном номинальном значении прямого тока);

2. постоянное прямое напряжение – значение напряжения на светодиоде при протекании постоянного прямого тока;

3. максимально допустимый постоянный прямой ток –максимально допустимое значение постоянного тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе светодиода;

4. предельно допустимый прямой ток в импульсном режиме;

5. – длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики.

Характеристикой СИД, как источника света, является световая характеристика – зависимость светового потока от прямого тока , или зависимость силы света от прямого тока . При малых токах и, соответственно, при малых напряжениях на светоизлучающем диоде процесс излучения протекает неактивно, поэтому начальный участок яркостной (световой) характеристики нелинеен. При больших токах световая характеристика почти линейна и ее вид определяет оптимальный режим работы СИД.

Рис.2.12: а) световая характеристика СИД: 1 – синего и сине–зеленого, 2 –красного; б) зависимость прямого тока от температуры окружающей среды

Для серийных типов СИД приводится зависимость силы света (светового потока) от прямого тока в относительных единицах (рис. 2.12, а), которая показывает, насколько снижается или увеличивается световой поток от значения указанного в параметрах для данного прибора при изменении тока через диод. Спектральная характеристика СИД выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны и дает представление о цвете свечения. Длина волны излучаемого света определяется разностью энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации и определяется исходным полупроводниковым материалом и легирующими примесями. Так, диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества легирующих примесей, внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, соотношения между значениями этих максимумов изменяются в сторону красного или зеленого цвета.

Излучение СИД характеризуемое диаграммой направленности (кривой сил света), определяется конструкцией диода, наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала. Диаграммы, приводимые для СИД в справочных данных, показывают снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведется наблюдение излучения. Излучение СИД может быть узконаправленным и рассеянным.

Рис. 2.13. Примеры вольтамперных характеристик СИД

Вольтамперная характеристика СИД похожа на характеристику обычного выпрямительного диода. Но в силу того, что для изготовления светодиодов используются материалы с большей шириной запрещенной зоны, чем, например, у кремния, их ВАХ сдвинуты вправо, и при одинаковом токе имеют большие значения падения напряжения. Нижний предел рабочего напряжения (пороговое напряжение) светодиода определяется энергией излучаемых квантов света и численно равен 1,5 – 2,5 В (рис. 2.13). Верхний предел рабочего напряжения определяется допустимой мощностью рассеяния. В случае обратного включения СИД через него протекает ток утечки, а светодиод не излучает света. Обратное напряжение U_обр , приложенное к светодиоду, не должно превышать предельно допустимого значения, иначе возможен пробой р–п перехода, кроме того регламентируется предельно допустимый, прямой ток Следует отметить, что прямому току соответствует прямое напряжение.

Основные параметры СИД зависят от температуры окружающей среды. С увеличением температуры световой поток (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшаются (рис. 2.12, б).

При создании источника света на основе светодиодов необходимо учитывать электрические характеристики СИД, во–первых, для полной реализации всего ресурса по излучению, и, во–вторых, световым потоком можно управлять, а при смешении излучения нескольких светодиодов разных цветов – управлять цветом.

СИД могут работать в импульсном режиме, при этом импульсный ток может быть выше, чем значения постоянного тока. Для управления световым потоком светодиодов и цветом (в случае смешения цветов нескольких светодиодов) используется широтно–импульсная модуляция, что позволяет создавать контроллеры с возможностью плавного изменения световым потоком (диммеры) и цвета (колорчейнджеры).

Светодиоды можно объединять в последовательные и параллельные электрические цепи. В соответствии со схемой соединения разрабатываются источники питания, обеспечивающие оптимальный режим работы светодиодов, включающие цепи электронной стабилизации напряжения и защиты от перегрузок.

Основой для применения светодиодов для обычного освещения являются светодиоды белого свечения. Рассмотрим основные 3 способа создания белых светодиодов со своими достоинствами и недостатками.

Первый – смешение излучения трех или более цветов. Для практических применений этот способ встречает неудобства, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от двух или более светодиодов (в основном достаточно использование трех светодиодов). Для каждого из трех светодиодов – красного, зеленого и голубого необходимо выбирать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового излучения, но при выбранных токах и напряжении на диодах интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для результирующих цветовых координат в области белого цвета. Для достижения необходимого результата приходится подбирать число диодов нужного цвета и составлять источник из большого количества диодов.

Второй способ – смешение голубого излучения светодиода с излучением либо желто – зеленого люминофора, либо зеленого и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучением. Этот способ наиболее прост для технологического исполнения и в настоящее время наиболее экономичен. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора так, 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 спектр имел белый цвет в нужном телесном угле.

Третий способ – смешение излучения трех люминофоров (красного, зеленого и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. Этот способ использует принципы и люминофоры, хорошо разработанные в течение многих лет для люминесцентных ламп. Этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах.

Светоотдача белых светодиодов ниже, чем светоотдача светодиодов с узким спектром, поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть которой теряется в люминофоре.

Для того, чтобы осуществить более широкое применение светодиодов для общего освещения, требующего от источников излучения световой поток порядка 1000 лм и выше, необходимо добиться дополнительного увеличения световой эффективности зеленых и особенно синих светодиодов. Когда световая отдача достигает уровня 50 лм/Вт, светодиоды уже могут считаться реальной заменой ламп накаливания. Если светоотдача полупроводников вырастет еще в несколько раз и превысит светоотдачу люминесцентных ламп более чем в два раза, то они смогут заполнить рынок общего освещения.

По предварительным прогнозам американских ученых замена ЛН и ЛЛ на СИД обещает сберечь только на территории США до 100 млрд. долларов к 2025 году. Программа исследований, доведение разработок до промышленного выпуска приборов на основе СИД, рассчитанная до 2010 года, предполагает в результате получить экономию такого количества электроэнергии, которое в совокупности производят 100 атомных электростанций.

Применение СИД с каждым годом расширяется, например, с 1996 года введен в Европе стандарт на стоп–сигнальные огни, которые должны устанавливаться на новых автомобилях. Использование импульсных характеристик СИД (время включения 50–70 нс) по сравнению с ЛН (время разгорания 0,2–0,3 с) превращается в выигрыш 6–9 метров тормозного пути автомобиля при движении со скоростью 100 км/час. Сравнение мощности 12 – дюймового сигнального красного светофора на ЛН, имеющего потребление около 100 Вт, с моделями на светодиодах, потребляющих 10 Вт при той же яркости, может сберечь 97% электроэнергии. Наиболее перспективным применением СИД является не только для освещения, но и архитектурно–художественного цветового оформление зданий и других объектов.