Общие характеристики мощных светодиодов (стр. 2 )

Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог” «рис 2». На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям InxGa1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям InxGa1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слойp-Al0.1Ga0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.[2]

Рисунок 2 Схема светодиода на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

Путем выбора полупроводникового материала и присадки можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодного кристалла, прежде всего на спектральную область излучения и эффективность преобразования подводимой энергии в свет. При использовании конверсионного люминофора (желтого) и голубого светодиода можно получить белое излучение «Рис 3». При использовании ультрафиолетового диода и трех люминофоров (R/G/B) возможно также получение белого излучения[4]. «Рис.4»

Рисунок 3. Голубой светодиод с  желтым люминофором

Рисунок 4. Ультрафиолетовый диод с тремя люминофорами

1.3 Световые характеристики

Диоды заняли место в передаче и визуализации информации: в световых индикаторах, табло, в приборных панелях автомобилей и самолетов, в рекламных экранах. Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (в люменах) к потребляемой электрической мощности (в ваттах). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона.

Рисунок 5. Светоотдача приборов

Светоотдача приборов на основе гетероструктур с активными слоями InGaN и AlInGaP на длинах волн, отвечающих максимуму излучения. Стрелки справа показывают светоотдачу вакуумных и газонаполненных ламп; кривая - спектральную чувствительность глаза (кривая видности). «Рис.5»

Один из способов, использования светодиодов, это для обычного освещения, поскольку сочетание их с люминофорами позволяет получить белый свет. Потребление электроэнергии у них меньше, чем у обычных ламп, кроме того, они долговечнее, надежнее и безопаснее ламп накаливания, и люминесцентных ламп.

Замена ламп накаливания диодами особенно эффективна в цветной светосигнальной аппаратуре. Лампы должны иметь цветные фильтры, что уменьшает КПД - часть излучения поглощается фильтрами. Цвет оптического излучения полупроводниковых приборов задается энергией квантов в узкой области спектра, фильтры им не нужны. На цветовой диаграмме показано, как из “чистых” цветов, расположенных на внешнем подковообразном контуре, можно получить любой смешанный. Центр диаграммы соответствует белому цвету, на краях отмечены кружки для разных диодов. «Рис. 6»

Рисунок 6. Цветовой график МКО

.В центре - область белого цвета, пересекаемая дугой, соответствующей цвету черного тела при разных температурах. Кружками отмечены цветовые координаты разных светодиодов. «Рис 6»

Светодиод является нелинейным устройством. Если к нему приложить низкое напряжение, то он не будет проводить электрический ток. Если напряжение повышать, то, как только оно превысит пороговое значение, светодиод станет излучать, а ток резко возрастет. Если продолжить увеличение напряжения, ток будет возрастать, а полупроводниковый прибор быстро перегреется и сгорит. Нюанс заключается в поддержании светодиода в узкой области между полностью закрытым и полностью открытым состояниями (рис. 1.5).

Рисунок 6. Полезная рабочая область мощного светодиода

Напряжение полезной рабочей области у разных экземпляров различается (даже у приборов одной группы и одного производителя), кроме того, оно меняется в зависимости от окружающей температуры и степени деградации прибора. На «Рис.6»  рабочая область показана более детально. В этом примере рассматривается  четыре идентичных светодиода, которые, согласно техническим данным, имеют одинаковые характеристики. Все производители подобных приборов сортируют их по цвету излучаемого света (это называется типизация, биновка (binning) — в процессе производства проводится проверка и светодиоды разделяются по бункерам, бинам (bin), согласно их цветовой температуре). Впоследствии все диоды смешиваются и в одной поставке могут оказаться приборы из разных производственных партий, и следовательно, можно ожидать большого разброса порогового или прямого (Vf) напряжений. Большинство технических характеристик устройств декларируют 20%-й допуск на Vf, поэтому столь широкий разброс, показанный на «Рис.7», не является преувеличением.[4]

Рисунок 7. Характеристики светодиодов

Если мы увеличим напряжение примерно до, 3 В, то первый диод будет перегружен, ток второго составит 300 мА, третьего - 250 мА, а четвертого - только 125 мА. Более того, эти характеристики и в дальнейшем изменяются. Когда светодиод прогревается до своей рабочей температуры, кривые дрейфуют влево (прямое напряжение Vf с повышением температуры падает). Однако интенсивность излучения света светодиодов прямо пропорциональна проходящему через них току «Рис. 8»). Так, в приведенном выше примере при напряжении питания 3 В первый светодиод будет сверкать как совершенно новый, второй окажется немного ярче, чем третий, а вот четвертый будет восприниматься весьма тусклым.

Рисунок 8.Зависимость между выходом света и током светодиода

Восприятие излучения человеком, глаз которого по-разному воспринимает различные участки оптического спектра (в соответствии с кривой видности), выдвигает свои требования к световым и спектральным характеристикам излучателей.

Излучаемые световые кванты должны выходить во внешнюю среду в заданном телесном угле с минимальным их поглощением внутри прибора. Малые размеры полупроводниковых светодиодов отличают их от ламп накаливания, в противоположность лампам диод - почти точечный источник света с площадью кристалла (0.25x0.25)-(0.5x0.5) мм2.

Кристалл покрывается выпуклым или плоским пластмассовым колпачком размерами 3-10 мм.. Конструкция колпачка обеспечивает фокусировку излучения в нужном телесном угле 5-45°. Держатель кристалла отводит тепло от активной области.

Работая, одиночный светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА, электрическая мощность варьирует от 20 до 120 мВт. При КПД в 5-25% в виде света излучается 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Для сравнения - миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении около 12 В и токе 50-100 мА. Для получения больших световых потоков десятки и сотни светодиодов объединяют в световые панели. Возможность фокусировки излучения в каждом элементе позволяет создавать световые панели с направленным излучением.[2]

1.4Охлаждение мощных светодиодов

Главной проблемой светодиодов является отвод тепла выделяемого LED-кристаллом. Большая его часть (> 90%) передается на его металлическую подложку за счет теплопроводности. Лишь 5% тепла уходят в виде теплового  излучения. «Рис. 9»[5]

Рисунок 9. Различие в механизмах тепловыделения при работе традиционных ламп накаливания и светодиодных(LED)-ламп

С повышением температуры у мощных светодиодов снижается световая эффективность. Приведенные в технических характеристиках цифры выходного светового потока обычно даются только для 25 °С. При 65 °С происходит потеря 10% яркости, а при 100 °С — 20%  «Рис. 10».

Чтобы мощные светодиоды имели время жизни, близкое к указанному в их технических характеристиках, необходим хороший теплоотвод. 100-Вт галогенный прожектор будет излучать 5 Вт света (мощность излучения). Из оставшихся 95 Вт потребленной мощности 80 Вт уйдет вовне в виде инфракрасного излучения и только 15 Вт будет рассеиваться корпусом в виде тепла. 50-Вт светодиод также будет излучать 5 Вт полезного света, но все оставшиеся 45 Вт мощности будут в виде тепла подведены к его конструктивному окружению. Хотя эффективность светодиодного светильника в два раза выше, чем у лампы накаливания, его охлаждение должно быть разработано так, чтобы справиться с в три раза большим потоком подводимого тепла.

Рисунок. 10. Зависимость светового потока светодиода от температуры его перехода

Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп накаливания: 90% - излучением, 5% - теплопроводностью (в цоколь). Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы при проектировании LED-светильников.

В подавляющем большинстве случаев для отвода тепла от кристалла и последующего теплорассеяния используются металлические, как правило, алюминиевые, медные, а также в редких случаях и радиаторы из теплопроводящих пластмасс, помимо всех вышеперечисленных способов, возможно и охлаждение при помощи термоэлектрического модуля.

1.5 Энергетический КПД

Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) – отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения - ?e).