1. Терміни, які використовуються для характеристики світлодіодів
2. Як влаштований і працює світлодіод?
3. Інші статті на Цю тему:

2004

В останні роки ми стали свідками стрімкого розвитку і революційного вдосконалення світлодіодів (скорочено ОІД - світловипромінюючі діоди, в англійському варіанті LED - light emitting diodes) - твердотільних напівпровідникових джерел світла. Ще недавно світлодіоди були всього лише пристроями індикації, а сьогодні це вже високоефективні джерела світла, які в найближчі 10-15 років перетворять світ штучного освітлення і повністю замінять лампи розжарювання.

Щоб зрозуміти, чому светодиодам пророкують велике майбутнє, розглянемо докладніше їх пристрій, історію створення та розвитку. У 1907 році англійський інженер Раунд, який трудився у всесвітньо відомій лабораторії Марко-ні, випадково помітив, що у працюючого детектора навколо точкового контакту виникає світіння. Всерйоз ж зацікавився цим фізичним явищем і спробував знайти йому практичне застосування «незбагненно талановитий російський» Олег Володимирович Лосєв.

Виявивши в 1922 році під час своїх нічних радіовахти світіння кристалічного детектора, цей, тоді ще 18-річний, радіоаматор не обмежився констатацією «дивного» факту, а негайно перейшов до оригінальних експериментів. Прагнучи отримати стійку генерацію кристала, він пропускав через точковий контакт діодного детектора ток від батарейки. Тобто мав справу не з чим іншим, як з прототипом напівпровідникового приладу, названого згодом світло-діодом. Весь світ заговорив про «ефект Лосєва», на практичне застосування якого винахідник встиг отримати (до своєї загибелі на війні в 1942 р) чотири (!) Патенту.

З 1951 року центр з розробки «напівпровідникових лампочок», що діють на основі «ефекту Лосєва», перемістився в Америку, де його очолив К. Леховец (США). У дослідженні проблем, пов'язаних зі світлодіодами, взяв найсерйознішу участь і «батько транзисторів» фізик В. Шоклі.

Незабаром з'ясувалося, що германій (Ge) і кремній (Si), на основі яких робляться напівпровідникові тріоди (транзистори), безперспективні для світлодіодів через занадто великий «роботи виходу» і, відповідно, слабкого випускання фотонів на р-п-переході. Успіх же супроводжував монокристалів із складних композитних напівпровідників: з'єднань галію (Ga), Арсенікум (миш'яку - As), фосфору (Р), індію (In), алюмінію (Al), інших елементів періодичної системи Менделєєва.

Однак реалізовані на практиці ці ідеї були лише в 60-70-і роки, після виявлення ефективної люмінесценції напівпровідникових сполук типу АШБУ-фосфіду (GaP) і арсеніду (GaAs) галію і їх твердих розчинів. У підсумку на їх основі були створені світлодіоди і таким чином закладений фундамент нової галузі техніки - оптоелектроніки.

Перші мають промислове значення світло-діоди були створені в 60-і роки на основі структур GaAsP / GaP Ніком Холоньяк (США) c червоним і жовто-зеленим світлом. Зовнішній квантовий вихід був не більше 0,1%. Довжина хвилі випромінювання цих приладів перебувала в межах 500-600 нм - області найвищої чутливості людського ока, - тому яскравість їх жовто-зеленого випромінювання була достатньою для цілей індикації. Світлова віддача світлодіодів при цьому становила приблизно 1-2 лм / Вт.

Терміни, які використовуються для характеристики світлодіодів

Квантовий вихід - це число, що випромінювали квантів світла на одну рекомбинированного електронно-дірковий пару. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній - в самому pn-перехід, зовнішній - для приладу в цілому (адже світло може губитися «по дорозі» - поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для «хороших» кристалів з потужним тепло-відведенням досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а для синіх - 35%.

Зовнішній квантовий вихід - одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

Светоотдача - кількість випромінюваних люменів на одиницю споживаної потужності люмен / ват (лм / Вт). Цей параметр показує, скільки енергії, що надходить на світлодіод перетворюється в світло, а скільки в тепло. Чим вище цей параметр, тим краще.

Світловий потік - величина, що характеризує кількість випромінюваного (поглинається або відбитого) світла. Світловий потік являє собою потужність випромінювання, оцінену з позиції його впливу на зоровий апарат людини. Одиниця світлового потоку - люмен (лм).

Як влаштований і працює світлодіод?

Перш за все, світлодіод - напівпровідниковий прилад з електронно-дірковий pn-переходом або контактом «метал - напівпровідник», що генерує (при проходженні через нього електричного струму) оптичне (видиме) випромінювання. Нагадаємо, що pn-перехід - це «цеглинка» напівпровідникової електронної техніки, що представляє з'єднані разом два шматки напівпровідника з різними типами провідності (один з надлишком електронів - «n-тип», другий з надлишком дірок - «p-тип»). Якщо до pn-переходу прикласти «пряме зміщення», тобто під'єднати джерело електричного струму плюсом до p-частини, то через нього потече струм.

Нас цікавить те, що відбувається після того, як через прямо зміщений pn-перехід пішов струм, а саме момент рекомбінації (з'єднання) носіїв електричного заряду - електронів і дірок, коли мають негативний заряд електрони «знаходять притулок» в позитивно заряджених іонах кристалічної решітки напівпровідника . Виявляється, що така рекомбінація може бути випромінювальної, при цьому в момент зустрічі електрона і дірки виділяється енергія у вигляді випромінювання кванта світла - фотона.

Але не всякий pn-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар повинна бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови в тій чи іншій мірі суперечать один одному.

Реально, щоб дотримати обидві умови, одного р- ^ переходу в кристалі виявляється недостатньо і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетероструктури, за вивчення яких російський фізик Жорес Алфьоров (академік, директор Фізико-технічного інституту ім. А. Ф. Іоффе, лауреат Ленінської премії) отримав золоту медаль Американського фізичного товариства за дослідження гетероструктур на основі Ga1-xAlxAs ще в 70-х роках. У 2000 році, коли стало ясно, яке велике значення цих робіт для розвитку науки і техніки, наскільки важливі їх практичні застосування для людства, йому була присуджена Нобелівська премія.

Найпоширеніша конструкція све-тодіода - традиційний 5-міліметровий корпус (рис. 1). Звичайно, це не єдиний варіант «упаковки» кристала.

Мал. 1

Світлодіод має два висновки - анод і катод. На катоді розташований алюмінієвий параболічний рефлектор (відбивач). Зовні він виглядає, як чашеобразное поглиблення, на дно якого поміщений світловипромінювальних-щий кристал. Активний елемент - напівпровідниковий монокристал - в більшості сучасних світлодіодів використовується у вигляді кубика (чіпа) розмірами 0,3x0,3x0,25 мм, що містить р-n або гетероперехід і омические контакти. Кристал з'єднаний з анодом за допомогою перемички із золотого дроту. Оптично прозорий полімерний корпус, який є одночасно фокусує лінзою разом з рефлектором, визначає кут випромінювання (діаграму спрямованості) світлодіода.

Що стосується яскравості світлодіода, то для неї далеко не байдужа і оптична прозорість n-області (надтонкі плівки напівпровідників цілком прозорі). Ну а колір (частота) випромінювання, маючи чітку функціональну зв'язок з енергією що випускаються фотонів, залежить від матеріалів напівпровідникових р-п-переходів. Зокрема, чистий монокристал GaAs дає інфрачервоний промінь, невелика добавка А1 і / або Р змінює колір випромінювання на червоний. Зелене світло випускає GaP. Використання ж р-п-переходу на основі композиції AlInGaP дозволяє отримувати жовте або помаранчеве випромінювання.

Працюючи, одиночний світлодіод споживає дуже невелику енергію: при напрузі 2-4 В і струмі 10-30 мА електрична потужність варіюється від 20 до 120 мВт. При ККД в 5-25% у вигляді світла випромінюється 1-30 мВт (сила світла 1-30 кд). Для порівняння - мініатюрна лампа розжарювання працює при напрузі близько 12 В і струмі 50-100 мА.

На відміну від ламп розжарювання світлодіоди випромінюють світло у відносно вузькій смузі спектра, ширина якої становить 20-50 нм. Вони займають проміжне положення між лазерами, світло яких монохромати-чен (випромінювання зі строго визначеною довжиною хвилі), і лампами різних типів, випромінюючих біле світло (суміш випромінювань різних спектрів). Іноді таке «вузькосмугове» випромінювання називають «квазімонохроматіческім». Як джерела «кольорового» світла світлодіоди давно обігнали лампи розжарювання з світлофільтрами. Так, світлова віддача лампи розжарювання з червоним світлофільтром складає всього 3 лм / Вт, в той час як червоні світлодіоди сьогодні дають 30 лм / Вт і більше. Наприклад, новітні прилади Luxeon виробництва американської компанії Lumileds (спільне підприємство Agilent Technologies і Philips Lighting) забезпечують 50 лм / Вт для червоної і навіть 65 лм / Вт для оранжево-червоній частині спектра. Втім, і це не рекорд - для жовто-помаранчевих світлодіодів планка 100 лм / Вт вже взята.

Довгий час розвиток світлодіодів стримувалося відсутністю приладів, які випромінюють в синьому діапазоні. Труднощі з виготовлення блакитних світлодіодів довелося долати «всім миром». Блакитні світлодіоди можна отримати на основі напівпровідників з великою шириною забороненої зони - карбіду кремнію, з'єднань елементів II і IV групи або нітридів елементів III групи (пам'ятаєте таблицю Менделєєва?).

У світлодіодів на основі SiC виявився занадто малий ККД і низький квантовий вихід випромінювання - тобто число випроменених квантів на одну рекомбинированного пару. У світлодіодів на основі твердих розчинів селеніду цинку ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися через великий опір і служили недовго. Залишалася надія на нітрид. Нітрид галію GaN плавиться при 2000 ° С, при цьому рівноважний тиск парів азоту становить 40 атмосфер; ясно, що ростити такі кристали непросто. Аналогічні з'єднання - нітрили алюмінію та індію - теж напівпровідники. Їх з'єднання утворюють потрійні тверді розчини з шириною забороненої зони, яка залежить від складу, який можна підібрати так, щоб генерувати світло потрібної довжини хвилі, в тому числі і синій. Але виникли труднощі в синтезі і легуванні цих матеріалів (зазвичай їх отримують у вигляді епітаксійних плівок). Для вирощування плівок використовують два технологічних підходу: метод молекулярно-промені-вої епітаксії (МВЕ - Molecular Beam Epitaxy) в умовах надвисокого вакууму і метод осадження плівок з металлооргані-чеських сполук (MOCVD - Metalorganic Chemical Vapor Deposition). Принципово важливо при цьому забезпечити збіг періодів кристалічних решіток послідовних шарів з різним хімічним складом, щоб кордони між сусідніми шарами не містили дефектів і були різкими. Проблему не вдавалося вирішити до кінця 80-х років.

Першим, ще в 70-х роках, блакитний світло-діод на основі плівок нітриду галію на сапфіровою підкладці вдалося одержати професуру Жаку Панкова (Якову Ісаєвичу Панчечнікову) з фірми IBM (США). Квантовий вихід був достатній для практики

(Частки%), але термін їх служби був обмежений. У р-області pn-переходу концентрація дірок була мала, і опір діодів виявилося занадто великим, вони досить швидко перегрівалися і виходили з ладу. Роботи Панкова в той час керівництво фірми IBM не підтримала.

На початку 80-х років Г. В. Сапарін і М. В. Чу-Кічев в Московському державному університеті ім. М. В. Ломоносова виявили, що після дії електронного пучка зразок GaN, легований Zn, локально стає яскравим люмінофором. Були запропоновані пристрої оптичної пам'яті з просторовим дозволом 1-10 мкм. Але причину яскравого світіння - активацію акцепторів Zn під впливом пучка електронів - тоді зрозуміти не вдалося.

Цю причину розкрили І. Акасака і Х. Ама-но з Нагойского університету. Справа виявилася в тому, що домішкові атоми Zn при зростанні кристала реагували з неминуче присутніми атомами водню, утворювали нейтральний комплекс Zn-H + і переставали працювати акцепторами. Обробка електронним пучком руйнувала зв'язку Zn-H + і повертала атомам Zn акцепторну роль. Зрозумівши це, японські вчені зробили важливий крок у створенні pn-переходів з GaN. Для аналогічного акцептора, Mg, було показано, що обробкою скануючим електронним пучком можна р-шар GaN з домішкою Mg зробити яскраво люминесцирующий-щим, що має більшу концентрацію дірок, яка необхідна для ефективної інжекції дірок в pn-перехід. Автори заявили патент на ефективне легування GaN р-типу.

Однак розробники світлодіодів не звернули належної уваги на їх публікації.

А прорив у виготовленні блакитних світло-діодів зробив С. Накамура з фірми Nichia Chemical. 29 листопада 1993 року, коли компанія Nichia Chemical Industries оголосила, що завершила розробку блакитних світло-діодів на основі GaN і планує приступити до їх масового виробництва, загальна реакція компаній, що виробляють оптоелек-тронні прилади та компоненти була: «хто?». Лише деякі, навіть в Японії, коли-небудь чули про Nichia - ця компанія ніколи не значилася серед зареєстрованих в оптоелектронної промисловості. І мало хто звернув увагу на пару статей, опублікованих незадовго до цього С. Нака-мурами, молодим дослідником з Nichia, але після появи настільки сенсаційної заяви все хотіли дізнатися, хто такий Нака-мура і що являє собою ця компанія.

Сюдзі Накамура народився в 1954 році на острові Сікоку, найменшому і найменш населеному з чотирьох головних островів Японії, де і розташована Nichia; в 1979 році закінчив університет в Токусімі. На той час він уже мав сім'ю і був зайнятий пошуками роботи. Мабуть, у нього була єдина можливість - влаштуватися в Nichia, невелику сімейну хімічну компанію, що виробляє люмінофори для кольорових кінескопів, дилера корпорації

Sony. Накамура ні натхненний перспективою роботи в Nichia, але йому пощастило: його бос, Н. Огава, засновник фірми, який зробив своїм девізом гасло «завжди бути в пошуку», виявився вельми примітним підприємцем, який зумів вгадати в ньому талант дослідника, які надали необхідну підтримку і не побоявся піти на значні фінансові витрати.

Коли Накамура надійшов на роботу в Nichia, його першим завданням було отримання металевого Ga високої чистоти. Впоравшись з ним, він переключився на вирощування монокристалів GaAs і InP. Але коли компанія спробувала вийти з продукцією на ринок, вона не змогла конкурувати з таким гігантом, як Sumitomo Electric. Наступним завданням було отримання епі-таксіальних плівок для виготовлення світло-діодів. Але і в цьому випадку Nichia не витримала конкуренції з корпорацією Toshiba. В результаті 10 років пішло на отримання металів високої чистоти, напівпровідникових з'єднань і плівок, але жодне з цих напрямків не призвело до комерційного успіху. Але тепер Накамура отримав можливість вирішувати самому, ніж займатися далі, і вибрав створення синьо-зелених світло-діодів. Знаючи, що головною проблемою є отримання відповідних матеріалів, а хорошим методом їх вирощування - MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) - метод осадження плівок з металоорганічних сполук, він поїхав для його освоєння в університет штату Флорида (США). Після відвідин безлічі світлодіодних конференцій Накамура згадував: «Більшість університетів і компаній, зокрема в Японії, працювали з ZnSe. Але я вже мав гіркий досвід, що якщо займаєшся тим же, що робить будь-хто ще, то, коли доходить до випуску продукції, виявляється, що ти не можеш її продати. І я вирішив вибрати інший матеріал ». Накамура добре усвідомлював проблему неузгодженості решіток, але для нього важливіше за все було те, що ця область не приваблювала уваги великих компаній.

Відкриття Акасака виявилося фантастично вдалим. Після повернення з Флориди в 1989 році Накамура побудував свою установку MOCVD і почав працювати над проблемою буферного шару. Він вирішив не копіювати підхід Акасака (усвідомлюючи можливі проблеми з патентуванням) і замість AlN використовував GaN. Він отримав дзеркальну поверхню, а вимірявши електричні характеристики, виявив, що GaN навіть краще: рухливість носіїв струму виявилася вищою.

Дізнавшісь про важліве Досягнення Акасака по отриманий матеріалу р-типу, Накамура Швидко відтворів цею результат, но при цьом зауважів, что опромінення бланках Електрон потоком призводило до невеликого его нагріванню, и, припустивши, что спостерігався ефект МІГ буті просто результатом впліву температури. Піддавші зразок відпалу в атмосфері азоту, ВІН виявило, что его Опір знизу, и таким чином з'ясував, что ефект БУВ НЕ наслідком ОБРОБКИ пучком електронів, а результатом прогріву. Пізніше виявилося, що отримання провідності р-типу перешкоджало вплив атомарного водню з MOCVD-процесу, який легко дифундувати в обсяг кристала і утворював нейтральні комплекси з Mg, пригнічуючи акцепторні ефект.

Інший ключовою проблемою було отримання високоякісних плівок InGaN для використання в якості активного шару. Накамура удосконалив метод MOCVD, ввівши два роздільних потоку газів: головний, який переносить з високою швидкістю паралельно підкладці суміш компонентів реакції-тріметілгаллія (CH3) 3Ga і аміаку NH3, джерел Ga і N - в потоці газу, носія молекулярного водню; і допоміжний, спрямований перпендикулярно підкладці, що переносить неактивний газ N2, який змінює напрямок головного потоку і призводить активний газ в контакт з підкладкою. Роль допоміжного потоку дуже важлива: без нього не може бути отримана безперервна плівка, і на підкладці утворюються окремі острівці. Тепер він міг регулювати кількість In в нанесеному матеріалі в процесі росту, змінюючи швидкість потоку і температуру підкладки. Наявність In в активному шарі є причиною утворення глибоких локалізованих станів, в яких рух електрона обмежена в трьох вимірах (як в квантових точках), що призводить до деяких ефектів. По-перше, додаткове квантування веде до зменшення щільності електронних станів, так що для отримання оптичного посилення потрібна менша концентрація інжектованих носіїв струму, а по-друге, квантування робить це посилення анізотропним щодо одного з напрямків поляризації.

Маючи в своєму розпорядженні своїм більш досконалим процесом обробки і вже апробованим методом вирощування хороших плівок на сапфірі, Накамура не сумнівався, що виграє гонку у свого суперника: «Я був упевнений, так як в Японії, коли конкурують університетський професор і компанія, компанія зазвичай виграє, тому що університети за короткий час не можуть дістати багато грошей ». Свій перший синій све-тодіод Накамура виготовив 28 березня 1991 року, але яке у нього могло бути час життя? Він залишив його включеним, коли йшов додому, а після безсонної ночі, прийшовши рано вранці в лабораторію, побачив, що діод ще світить. І хоча випромінювання було не дуже яскравим, це була перемога. Два з половиною роки після численних поліпшень до моменту появи знаменитого оголошення Накамура виготовив діоди, що випромінювали з силою світла 1000 мккд, а ще через шість місяців компанія оголосила про випуск діода на 2000 мккд, який випромінював настільки яскраво, що на нього боляче було дивитися.

Перший комерційний синій світлодіод був зроблений Накамурою на початку 1994 року на основі гетероструктури InGaN / AlGaN з активним шаром InGaN, легованих Zn.

Вихідна потужність становила 3 ​​мВт при прямому струмі 20 мА з квантовим виходом (відношенням числа інжектованих електронів до числа утворилися фотонів) 5,4% на довжині хвилі випромінювання 450 нм. Незабаром після цього за рахунок збільшення концентрації In в активному шарі був виготовлений зелений світлодіод, що випромінює з силою світла 2 кд. Він складається з 3-нанометрового активного шару In0,2Ga0,8N, укладеного між шарами p-AlGaN і n-GaN, вирощеними на сапфірі. Такий тонкий шар InGaN зводить до мінімуму впливу неузгодженості решіток: пружне напруження в шарі може бути знято без утворення дислокацій і якість кристала залишається високим. Тут шар InGaN утворює одиночну квантову яму, в якій локалізовані електрони і дірки, що надходять з навколишнього матеріалу. Через просторового обмеження руху носіїв струму відбувається ефективна випромінювальна рекомбінація. Швидкість рекомбінації залежить від змісту In в активному шарі і енергії квантових станів, які, в свою чергу, залежать від товщини квантової ями і енергетичного бар'єру між шаром InGaN і навколишнім матеріалом, а зміна товщини дає можливість додатково управляти довжиною хвилі випромінювання. У 1995 році при ще меншій товщині шару InGaN і більш високому вмісті In вдалося підвищити силу світла до 10 кд на довжині хвилі 520 нм, а квантову ефективність до 6,3%, причому час життя світлодіодів становило 5х104ч (виміряний), а з теоретичних оцінками - понад 106 год (близько 150 років!).

Фірма Nichia запатентувала ключові етапи технології і до кінця 1997 року випускала вже 10-20 млн блакитних і зелених світло-діодів в місяць.

Цікава також історія появи надяскравих блакитних і зелених світлодіодів в Росії. Про це розповідає професор МДУ Олександр Еммануїлович Юновіч, один з провідних російських фахівців в області оптоелектроніки: карбіду кремнію вперше спостерігав Олег Володимирович Лосєв у Нижегородської радіотехнічної лабораторії в 1923 р і показав, що вона виникає поблизу pn-переходу.

Лосєв писав: «У кристалів карборунда (напівпрозорих) можна спостерігати (в місці контакту) зеленуватесвітіння при струмі через контакт всього 0,4 мА ... світиться детектор може бути придатний в якості світлового реле як безинертний джерело світла» [1].

Перша наукова стаття про кристалах нітриду галію була опублікована професором МГУ Г. С. Ждановим в 30-х рр. Люмінесценцію в гетероструктурах на основі ар-сеніда галію вперше досліджували в лабораторії Ж. І. Алфьорова в 60-х рр. і показали, що можна створити структури з внутрішнім квантовим виходом, близьким до 100%. Розробки структур і світлодіодів на основі нітриду галію велися в ленінградських Політехнічному і Електротехнічному інституті в Калузі, в Зеленограді в 70-х рр., Але вони тоді не привели до створення ефективних блакитних світлодіодів.

У 1995 році я прочитав перші статті Накама-ри і зрозумів, що «блакитна проблема» в принципі вирішена. Тоді ж я отримав грант Соро-Совського фонду. У грудні на ці гроші я зміг поїхати на конференцію в США, і там професор Жак Панков познайомив мене з С. Накамурою. Я закинув наживку: мовляв, хочу долучити студентів Московського університету до передових досягнень в області блакитних світлодіодів і розповісти їм про настільки чудовому винаході. Рибка клюнула, і в лютому я отримав від д-ра С. Накамура з Японії бандероллю 10 світлодіодів - від фіолетового до зеленого. Все потім виявилося просто - фірма Nichia Chemical починала випуск светодіо-дів на ринок і була зацікавлена ​​в науковій рекламі. У лабораторії МДУ ми їх досконально дослідили, зняли всі характеристики і отримали нові наукові результати. Д-р С. Накамура дав люб'язне згоду на спільну публікацію наших перших статей.

Одночасно фахівці з групи Бориса Ферапонтович Трінчук в Зеленограді продемонстрували зразки зелених світлодіодів начальникам з ДАІ і отримали позитивний відгук. Вся справа в тому, що ця група зробила дослідний зразок світлодіодного світлофора, але у них не було хороших зелених світлодіодів. Світлофори з новими над'яскравих зеленими світлодіодами набагато перевершували світлофори з лампами, і московський уряд зробив замовлення на 1000 світлодіодних світлофорів до 850-річчя Москви. Таке везіння!

Якраз тоді у нас гостювала киргизька скрипалька Райкан Карагулова - випускниця Московської консерваторії, учениця моєї дружини, яка працювала в Японії першим концертмейстером симфонічного оркестру в Осаці. З'ясувалося, що місце її роботи знаходиться неподалік від фірми Nichia Chemical! Б. Ф. Тринчук дав їй тисячу доларів і попросив купити на них і надіслати на мою адресу 200 зелених світлодіодів. З них були виготовлені перші світлофори з тієї ювілейної тисячі. Москва стала першим в світі містом з масовим застосуванням світлодіодних світлофорів.

Наші вчені та інженери в НДІ «Сапфір» намагалися повторити досягнення японців і виготовити структури на основі нітридів для блакитних і зелених світлодіодів на старій епітаксіальної установці, яку довелося модернізувати, щоб досягти більш високих температур і тисків. Але ініціатива заглохла через відсутність грошей і інтересу керівництва ».

Винахід синіх світлодіодів замкнуло «RGB-коло» і дало можливість отримання СІД білого світла.

На сьогоднішній момент існує три способи отримання білого світла за допомогою світлодіодів: змішування в певній пропорції випромінювання червоного, зеленого і синього світлодіодів. При цьому можуть бути використані як окремі світлодіоди різних кольорів, так і 3-кристальні світлодіоди, які об'єднують кристали червоного, синього і зеленого свічення в одному корпусі. На рис. 2 показано отримання білого світла шляхом змішування в певній пропорції випромінювання червоного, зеленого і синього світлодіодів.

Мал. 2

Основою більш дешевого і поширеного способу отримання світлодіода білого світла є напівпровідниковий кристал структури InGaN, що випромінює на довжині хвилі 460-470 нм (синій колір) і нанесений зверху на поверхню кристала люмінофор на основі YAG (ітрій-гадолиниевой гранатів, активізований Се3 +), що випромінює в широкому діапазоні видимого спектру і має максимум в його жовтої частини спектра.

На рис. 3 показано отримання білого світла за допомогою кристала синього світлодіода і нанесеного на нього шару жовтого люмінофора.

Людське око комбінацію такого роду сприймає як білий колір. Такі све-тодіоди набагато дешевше 3-кристальних, мають гарну передачею кольору, а по світловіддачі (до 30 лм / Вт) вони вже обігнали лампи розжарювання (7-10 лм / Вт).

Мал. 3

Мал. 4

На рис. 4 показано будову 5-міліметрового світлодіода, що випромінює білий світ.

Ще один метод отримання білого світла - збудження 3-слойного люмінофора светоді-одом ультрафіолетового спектра (УФ-СІД).

На рис. 5 показано отримання білого світла за допомогою ультрафіолетового світлодіода і RGB-люмінофора.

У кожного способу є свої переваги і недоліки. Технологія RGB в принципі дозволяє не тільки отримати білий колір, а й переміщатися по кольоровій діаграмі при зміні струму через різні светодіо-ди. Цим процесом можна керувати вручну або за допомогою програми, можна також отримувати різні колірні температури. Тому RGB-матриці широко Використовують в світлодінамічніх системах. Крім того, велика кількість светодіо-дів в матриці забезпечує високий сумарний світловий потік і велику осьову силу світла. Але світлову пляму через аберацій оптичної системи має неоднаковий колір в центрі і по краях, а головне, через нерівномірне відведення тепла з країв матриці і з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюється їх колір в процесі старіння - сумарні колірна температура і колір «пливуть» за час експлуатації. Це непріємне явіще Досить складно и дорого компенсуваті.

Мал. 5

Білі світлодіоди з люминофорами істотно дешевше, ніж світлодіодні RGB-матриці (в перерахунку на одиницю світлового потоку), і дозволяють отримати хороший білий колір. І для них в принципі не проблема потрапити в точку з координатами (0,33; 0,33) на кольоровій діаграмі МКО. Недоліки ж Такі: По-перше, у них менше, чем у RGB-матриць, світловіддача через превращение світла в шарі люмінофора; по-друге, досить важко точно проконтролювати рівномірність нанесення люмінофора в технологічному процесі і, отже, колірну температуру; і, нарешті, по-третє - люмінофор теж старіє, причому швидше, ніж сам світлодіод.

Промисловість на даний момент випускає як світлодіоди з люмінофором, так і RGB-матриці - у них різні сфери застосування.

Як уже згадувалося, будова светодіо-да не обмежується стандартним 5-мм корпусом і визначається потужністю випромінювання і прямим струмом, що проходить через діод. Світловий потік, що випромінюється світлодіодом, безпосередньо залежить від прямого струму, що протікає через світлодіод. Чим більше струм, тим яскравіше світить світлодіод. Це пов'язано з тим, що чим більше струм, тим більше електронів і дірок надходять в зону рекомбінації в одиницю часу. Але струм не можна збільшувати до безкінечності. Через внутрішнього опору напівпровідника і pn-перехо-да діод перегріється і вийде з ладу.

Далі буде

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на Цю тему:

повідоміті про помилки