Управление в светотехнических системах

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

(ТУСУР)

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга

(РЭТЭМ)

УТВЕРЖДАЮ Декан РКФ

__________________ Д.В. Озеркин

«___»__________ 2018 г.

УПРАВЛЕНИЕ В СВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Учебное пособие

Зав. кафедрой РЭТЭМ

__________________ В.И. Туев

«___»__________ 2018 г.

Томск 2018

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Светодиодная лампа на основе светодиодных излучающих элементов представляет собой конструкцию, в которой в колбе установлены светодиодные излучающие элементы,

а в цоколе расположено миниатюрное устройство питания [1].

Принцип работы светодиодных излучающих элементов аналогичен принципу работы светодиода белого цвета свечения. На светодиодный кристалл из полупроводникового материала GaN, излучающего в синей области оптического спектра,

нанесён люминофор из кристаллов YAG, который за счёт Стоксовского эффекта переизлучает в жёлто-зелёной области оптического спектра [2].

Известно из работы [3], что максимальное значение световой отдачи светодиодного осветительного прибора белого цвета свечения с комфортной коррелированной цветовой температурой и индексом цветопередачи составляет 250-370 лм/Вт [3].

Совершенствование конструкции лампы светодиодной, включая компонентную базу – светодиодный излучающий элемент направлено на увеличение световой отдачи от 90100 лм/Вт для доступной на рынке продукции до 125 лм/Вт для разрабатываемых ламп.

5

1 История создания источников света

Как известно [4], освещение бывает: естественное, совмещенное, искусственное.

Искусственное освещение делится:

–освещение помещений производственных и складских зданий;

–освещение помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий;

–освещение площадок предприятий и мест производства работ вне зданий;

–освещение селитебных зон:

–освещение улиц, дорог и площадей;

–освещение пешеходных переходов;

–освещение автотранспортных тоннелей;

–освещение пешеходных пространств;

–освещение территорий жилых районов;

–наружное архитектурное освещение зданий и сооружений:

–витринное освещение;

–рекламное освещение;

–аварийное освещение;

–аварийное освещение автотранспортных тоннелей;

–охранное и дежурное освещение.

Для освещения помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий нужны источники света с высокой световой отдачей, высоким значением индекса цветопередачи, тёплым комфортным светом, характеризующиеся низкой стоимостью,

общедоступностью, надёжностью и безопасностью. Таким требованиям отвечают полупроводниковые (светодиодные) источники света. Создание светодиодной лампы неразрывно связано с созданием светодиода белого цвета свечения.

Впервые английским инженером Г.Д. Раундом было обнаружено свечение вокруг точечного контакта радиочатотного детектора в 1907 году. В 20-е годы ХХ века О.В.

Лосевым обнаружено явление излучательной рекомбинации носителей тока в кристаллах карбида кремния и открыта электролюминесценция полупроводников. В 1946 году В.Е. Лошкаревым открыта биполярная диффузия неравновесных носителей заряда в полупроводниках. В 1947 году американскими учёными Дж. Бардиным, У. Бреттейном и У. Шокли был создан первый транзистор. Инженер А.В. Красилов и его группа разработали германиевые диоды для радиолокационных станций в НИИ «Исток»,

совместно с С.Г. Мадоян впервые обнаружили транзисторный эффект. Oбразцы германиевых транзисторов разработаны Б.М. Вулом, А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и

6

др. (ФИАН), В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым (ЛФТИ), С.Г. Калашниковым,

Н.А. Пениным и др. (ИРЭ АН СССР). В 1951 году в Америке на основе «эффекта Лосева»,

организован центр разработки «полупроводниковых лампочек», действовавщий, под руководством К. Леховец. В 1955 году У. Шокли основал в Санта Кларе компанию

"Shockley Semiconductor Laboratories" по разработке германиевых и кремниевых транзисторов [2]. В 1954 году, в Томском СФТИ В.А. Пресновым была открыта лаборатория полупроводников, томские исследователи присткпили к исследованию арсенида галлия. Совместная работа коллективов ТГУ, СФТИ и НИИ ПП позволила создать на основе арсенида галлия приборы для СВЧ-электроники и ИК-оптики.

Определяющую роль в разработке данных приборов сыграли профессора С.С. Хлудков,

О.П. Толбанов, В.Г. Воеводин, Н.П. Криворотов, А.А. Вилисов, В.Г. Божков,

А.В. Войцеховский [5].

В 1962 году в лабораториях Иллинойского Университета на основе структур

GaAsP/GaP Н. Холоньяком (США) созданы первые промышленные светодиоды. Первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto создана в 1968 году. В 60-е годы были созданы светодиоды из GaP c красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход составлял не более 0,1%, спектр излучения 500-600 нм, что было достаточные для индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла 1-2 лм/Вт. В 1968 году в США изготовлен первый рекламный светодиодный экран от Hewlett-Packard.

В 70-е годы прошлого столетия Ж.И. Алферов с сотрудниками разработал многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход (до 15%) за счет ограничения активной области рекомбинации для полупроводниковых материалов GaAs и AlGaAs Для красной части спектра значение световой отдачи достигло 10 лм/Вт и более 30% КПД – для инфракрасной. В 70-х годах группа Дж. Панкова из компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе полупроводникового материала GaN. В 1976 году компанией Hewlett Packard разработаны светодиоды на основе полупроводниковых материалов фосфидов алюминия-галлия-индия которые излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. С 1985 года световой поток светодиодов увеличился до 1-100 лм. В 1991 года Ш. Накамура из японской компании Nichia Chemical с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия-галлия

InGaN создал светодиод синего цвета свечения. С 1993 г. организовано серийное производство светодиодов на основе InGaN корпорацией Nichia. В 1996 году корпорацией

Nichia разработан и внедрён в массовое производство светодиод белого цвета свечения на основе кристалла InGaN и фотолюминофора YAG [2].

Для масштабного применения светодиодов в освещении необходимо было решить

7

две основные задачи:

–повысить световую отдачу светодиодов белого цвета свечения,

–снизить тепловое сопротивление светодиодов для повышения отвода тепла с целью повышения плотности их монтажа в источнике света.

С 1999 года произошёл переход от светодиодов с выводными корпусами (тепловое сопротивление 250-75 Вт/м∙К) к светодиодам с корпусами для поверхностного монтажа

(тепловое сопротивление не более 15 Вт/м∙К). Это позволило увеличить плотность монтажа светодиодов на печатную плату и применять автоматизированные средства технологического процесса производства светодиодных источников света.

С 2009 года появились COB (Chip-on-Board) конструкции – кристалл на плате, где на керамической основе монтируется большое количество светодиодных кристаллов и герметизируется люминофорной композицией [6].

Следующим шагом стала технология Glob Top изготовления светодиодных источников света, суть которой заключается в монтаже кристаллов на металлическую печатную плату и последующей герметизации каждого кристалла [7].

В настоящее время самым перспективным направлением развития светодиодных технологий является создание светодиодных ламп в форм-факторе лампы накаливания,

где вместо нити накаливания используются светодиодные источники света (LED filament bulb).

27 февраля 2017 г. в Мюнхене в Германии компания Seoul Semiconductor,

занимающая пятое место на мировом рынке по производству светодиодов, заявила о начале массового производства светодиодных ламп. Так по оценке компании мировой рынок ламп составляет 7 миллиардов штук ежегодно, из которых 2,5 миллиарда единиц светодиодные лампы на основе светодиодных излучающих элементов [8].

6 декабря 2017 г. Компания Cree (США) анонсировала светодиод белого цвета свечения с рекордным значением светового потока с единицы площади – 284 лм/мм2 –

светодиод XLamp XD16 [9].

Ключевыми тенденциями развития полупроводниковой светотехники в настоящее время являются:

–повышение световой отдачи при комфортной коррелированной цветовой температуре и значениях индекса цветопередачи;

–повышение светового потока с единицы площади кристалла.

8

2 Физические принципы работы светодиода Работа светодиода основана на явлении электролюминесценции – излучение

фотонов твёрдым телом под воздействием электрического тока.

Полупроводниковый материал для светодиода белого и синего (синий цвет свечения кристалла плюс люминофор) цвета свечения представляет собой гетероэпитаксиальную структуру GaN/InGaN с множественными квантовыми ямами

(МКЯ) (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Гетероструктура GaN/InGaN

На рисунке 2.1 видно, что на подложке из сапфира выращена полупроводниковая структура, состоящая из ростового слоя GaN, слоя n-типа GaN легированного Si, активной области и p-типа GaN легированного Mg [10, 11].

При p-n переходе, носители зарядов распределяются так, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев n и p-типов образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n-стороне и ионизованных отрицательных акцепторов на p-стороне. Электрическое поле дипольного слоя создаёт потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. При подаче на p- n-переход электрического смещения в прямом направлении потенциальный барьер понижается, вследствие чего в p-область войдет добавочное количество электронов, а в n-

область p-дырок. Концентрация инжектированных носителей заряда зависит только от равновесной концентрации неосновных носителей и приложенного напряжения [12-15].

Одной из проблем является формирование омического контакта к p-типу GaN.

Существующие технологии формирования p-контакта позволяют получать контакты с удельным сопротивлением от 5×10-4 до 2×10-3, это на один порядок хуже, чем для контактов к n-типу GaN. Основными проблемами для контактов к p-типу являются:

- высокая энергия активации акцепторной примеси (Mg – 160 эВ),

9

- тенденция поверхности GaN к формированию вакансий азота.

Указанные проблемы приводят к увеличению высоты барьера Шотки и повышают

сопротивление СД. Повышение сопротивления приводит к увеличению напряжения на структуре, перегреву омических контактов, потере мощности излучения, а так же может привести к выходу из строя СД [16].

Для светодиодов характерен эффект стягивания тока («current crowding») под омическими контактами, который также оказывает негативное влияние на надёжность и

срок службы СД [17].

Помимо металлизации золото-никель в качестве омических контактов применяют полупрозрачные контакты на основе ITO (indium tin oxide), такие контакты позволяют увеличить вывод излучения из кристалла, но создают дополнительное сопротивление на

омических контактах [18-20].

Таким образом, падение напряжения на современном СД составляет от 2.9 до 3.5 В.

Характеристиками эффективности работы кристалла СД являются внешний квантовый

где P – мощность оптического излучения вышедшего за пределы светодиода, (I×U) –

потребляемая электрическая мощность (прямой постоянный ток, помноженный на прямое постоянное напряжение).

На сегодняшний день КПД кристалла СД составляет на промышленных образцах ~ 50%, а на лабораторных ~ 80% [2, 21-23].

Излучательная рекомбинация – единственный физический механизм генерации света в светоизлучающих диодах. Виды рекомбинации:

Межзонная рекомбинация, при которой электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону на место дырки непосредственно, излучая энергию, несколько большую ширины запрещенной зоны.

Рекомбинация свободных носителей заряда на примесных центрах: электрон – акцептор или дырка – донор, при которой носители захватываются примесными центрами,

а затем рекомбинируют со свободным носителем противоположного знака.

Межпримесная, или донорно – акцепторная, рекомбинация, при которой носители захватываются примесными центрами, а затем электрон переходит с донора на акцептор в процессе акта излучательной рекомбинации; для такого перехода необходимо частичное перекрытие волновых функций электрона и дырки.

10