3.8 Светодиодные источники повышенной яркости и белого света

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

Зеленые, белые, синие ОЯ СИД изготавливаются на структурах I_n G₂ N. Они имеют существенно большие прямые падения напряжения на U_пр по сравнению с красными, желтыми и оранжевыми (см. таблицу 4.7). Необходимость ограничения прямого тока объясняет целесообразность питания СИД от источников тока.

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

Таблица 3.7 – Типичные и максимальные значения U_пр при токе 20 мА для СИД всех длин волн

Длина волны излучения λ, нм	Цвет свечения	Uпр­, В		Примечание
		Тип.	Макс.
470	Белый	3,5	4,0	Синий кристалл + люминофор
	Зеленый			-
505	Alpen green			-
525	Зеленый			-
565	Желто-зеленый	1,95	2,5	-
570	Желтый			AS AlinGap
590	Желто-оранжевый			TS AlinGap
		2,1	2,6	AS AlinGap
605	Оранжевый	1,95	2,5	ТS AlinGap
		2,1	2,6	AS AlinGap
615	Красный	1,95	2,5	ТS AlinGap
625		1,95	2,5	ТS AlinGap
		2,1	2,6	-
640		1,95	2,5	-
660		1,95

Дисперсия излучения не измеряется для каждого светодиода, поскольку это трудоемкий процесс. В реальности наблюдаются значительные отклонения от справочных данных, особенно в случае узконаправленных (2Θ_1/2 < 10⁰) СИД. Типичная дисперсия для СИД типов КИПД87, КИПД89 и КИПД91 приведена на рис. 3.13

Рис. 3.13. Типичная диаграмма излучения

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

- нужна максимальная сила света при сравнительно небольшом ( 30⁰) угле излучения;

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

- прозрачная колба используется в СИД всевозможных подсветок и светодиодов.

Колба должна быть матовой, если СИД мультицветный. Колба должна быть скрашенной в цвет свечения кристаллов для всех сигнальных СИД, а так же для ОЯ СИД применяемых в изготовлении таблобегущих строк и др., использующих эффект контраста СИД на темном фоне. В случае матовых СИД возможен эффект паразитной засветки солнечными лучами («фантом – эффект»)

В таблице 3.8 приведены параметры распространенных сигнальных СИД. С точки зрения экономии места на лицевой панели прибора или устройства, выгодно вместо нескольких, например, красного и зеленого, применять один мультицветный СИД круглой или прямоугольной формы.

Таблица 3.8 – Основные характеристики сигнальных светодиодов

Конструктив, диаметр, наименование	l, Цвет свечения (λ, нм)	Сила света, мкд	Рабочий ток, мА	Угол обзора, град.
Ø 3 мм (КИПД42)	Красный (660)	5…100	1…20	40
	Желтый (590)
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)
Низкопрофильные СИД Ø 5 мм (КИПД88)	Красный (660)	10…100		60
	Желтый (590)
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)
Ø 5 мм (КИПД40)	Красный (660)			40
	Желтый (590)
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)
Плоские СИД Ø 10 мм (КИПМ15)	Красный (660)			30
	Желтый (590)	1…100
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)
Прямоугольные СИД 2,2 × 5 мм	Красный (660)			50
	Желтый (590)
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)
Многокрисальные СИД Ø6 мм (КИПМ25)	Красный (660)			120
	Желтый (590)
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)
Двухцветные СИД Ø5 мм (КИПД41)	Красно-зеленые (660/565), любые другие варианты	1…50	10, 20	60
Ø20 мм 1-, 2-, 4-, 6-кристальные (КИПМ 20)	Красный (660)	1…100		120
	Желтый (590)
	Желто-зеленый (570)
	Зеленый (565)

Параметры ярких СИД красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе приведены в таблице 3.9

Таблица 3.9 – Основные характеристики ярких светодиодов красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе

Шифр сигнала	Цвет свечения (λ, нм)	Структура	Прямое напряжение, UПР, В		Сила света, кд, при токе 20 мА (10 мА)	Угол обзора, град
			Тип.	Макс.
КИПМ45Н30	Красный (625)	ТS AlinGap	2,1	2,8	1,0…1,5	30
КИПМ45П30					1,5…2,0
КИПМ45Р30					2,0…3,0
КИПМ45Н30	Желтый (590)				1,0…1,5
КИПМ45П30					1,5…2,0
КИПМ45Р30					2,0…3,0
КИПМ45Н30	Красный (625)		2,0	2,5	(1,0…1,5)
КИПМ45П30					(1,5…2,0)
КИПМ45Р30					(2,0…3,0)
КИПМ45Н30	Желтый (590)				(1,0…1,5)
КИПМ45П30					(1,5…2,0)
КИПМ45Р30					(2,0…3,0)

Они используют окрашенные рассеивающие линзы, излучающие световой поток, достаточный для изготовления недорогих информационных табло. Потенциальные возможности высокоэффективных структур позволяют получать силу света порядка 2 кд при токе не только 20 мА, но и 10 мА., что увеличивает надежность изделий на СИД .

Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям – увеличение внешнего квантового выхода и расширения спектра излучения. Велик вклад в работу и советских ученых в частности Ж.И. Алферова, еще в 70-е годы разработавшего так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволяющие значительно увеличить внешний квантовый выход за счет ограничения активной области рекомбинации. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15 % для красной части спектра (световая отдача до 10 лм/Вт) и более 30% - для инфракрасной. Показателен факт присуждения Жоресу Ивановичу Алферову Нобелевской премии в 2000г., когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники.

Исследование других гетероструктур привели к созданию эффективных светодиодов, излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды, на основе фосфидов алюминия – галлия – индия (разработка компании Hewlett-Packard) излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Они имели световую отдачу до 30 лм/Вт (и внешний квантовый выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что в отличие от ламп накаливания светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20…50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длинной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют «квазимонохроматическим».

Современный уровень технологий производства ОЯ СИД в мире позволяет повсеместно заменять лампы накаливания более надежными и малопотребляющими источниками света. Мировые лидеры по производству СКД, такие как Nichia и Lumileds, заявляют, что век ламп накаливания на исходе (им осталось жить меньше 10 лет).

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

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Эту проблему решил в 90-х годах прошлого века Ш. Накамура из компании Nichia Chemikal (а позднее и специалисты Hewlett Packart) с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия – галия InGaN

В сине – зеленой области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20 % и вплотную приблизиться по эффективности к люминесцентным лампам (световая отдача 70…90 лм/Вт.)

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB круг» и сделало возможным создание светодиодов белого света. На данный момент существуют три способа получения белого света с помощью светодиодов.

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

На рис. 3.13 показана зависимость спектральной плотности излучения от длины волны, необходимая для получения белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.

Рис. 3.13. Получение белого света

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

На рис. 3.14 проиллюстрировано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Рис. 3.14. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода

и нанесенного на него слоя желтого люминофора

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.

Такие светодиоды намного дешевле трехкристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания (15 лм/Вт).

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

На рис. 3.15 показано получение белого света с помощью светодиода и RGB-люминофора.

Рис. 3.15. Получение белого света с помощью светодиода и RGB-люминофора

Кристалл светодиода – практически точечный источник света, поэтому корпус может быть очень миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод тепла от кристалла. Самая распространенная конструкция светодиода – традиционный пятимиллиметровый корпус.

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

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