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

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 (Ð 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

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

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.

Тестовые вопросы к главе 3 «Источники некогерентного излучения»

3.1. Укажите, какая длина волны соответствует видимой области света:

а) ; б) ; в) ; г) .

3.2. Какое напряжение пробоя типично для светодиодов:

а) ; б) ; в) ; г) .

3.3. От чего зависит частота излучения светодиода:

а) от напряжения;

б) от прямого тока;

в) от ширины запрещенной зоны;

г) от обратного напряжения.

3.4. При каком напряжении светодиод эффективно излучает свет:

а) ; б) ; в) ; г) ;

3.5 Укажите номер, который соответствует красному СИД:

а) GaAs₆₀P_{40 ;}

б) GaAs₃₅P₆₅N;

в) GaAs₁₄P₈₆N;

г) GaPN.

3.6. Укажите номер, который соответствует оранжевому СИД:

а) GaAs₆₀P_{40 ;}

б) GaAs₃₅P₆₅N;

в) GaAs₁₄P₈₆N;

г) GaPN.

3.7. Какая конструкция отличается простотой, но имеет малые значения коэффициента вывода оптического излучения:

а) а; б) б; в) в; г) г; д) д; е) е; ж) з.

3.8. Какие конструкции отличается хорошим коэффициентом вывода оптического излучения:

а) а; б) б; в) в; г) г; д) д; е) е; ж) з.

3.9. Какие конструкции используют пластмассовые линзы повышающие эффективность вывода оптической энергии:

а) а; б) б; в) в; г) г; д) д; е) е; ж) з.

3.10. Какая конструкция улучшает диаграмму направленности торцевого излучения:

а) а; 1) б) б; 2) в) в; 3) г) г; 4) д) д; 5) е) е; 6) ж) з.