СВЕТОДИОД (СИД, Led, light emitting diode)
СВЕТОДИОД
Графическое обозначение
Свободный перевод статьи "LED" из
Википедии. Графическое обозначение
Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.
Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.
Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.
Изобретение и первые образцы
Электролюминесценция кристалла карбида кремния (зеленого цвета ) была обнаружена в 1907 году английским ученым Раундом в лаборатории Маркони. Этому явлению тогда не придали значения. В 1923 году советский ученый О.В. Лосев, работая в НРЛ (Нижегородской радиолаборатории), проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). Длительные исследования позволили сформулировать основной принцип электролюминесценции полупроводниковых структур - инжекционная рекомбинация. В 1927 Лосев запатентовал принцип полупроводникового свечения. Изобретение было опубликовано в российских, немецких и английских научных журналах, но практического применения не получило. В 1955 году Р.Браунштейн из Radio Corporation of America заявил о наличии инфракрасного излучения арсенида галлия (GaAs) в комбинации с другими полупроводниковами сплавами. Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простой диодной структурой на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия, фосфида индия (InP) и кремниево - германиевого сплава (SiGe) при комнатной температуре.В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.
Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.
В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.
Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.
Практическое использование первых светодиодов
Первое коммерческое использование светодиодов связано с их применением в качестве замены индикаторов, ранее основанных на использовании ламп накаливания. Из светодиодов изготавливали семисегментные индикаторы, встраивали в дорогие лабораторные приборы, использовали в тестовом оборудовании, но позже светодиоды стали применять при изготовлении телевизоров, радиоприемников, телефонов, калькуляторов и даже часов. Светодиоды красного свечения, применяемые для этих целей имели яркость, достаточную для использования лишь в качестве индикаторов. Светодиоды других цветов имели еще меньшую яркость. Все типы led выпускались в типоразмерах 3 или 5 мм.Дальнейшее развитие светодиодных технологий
Первые сверхяркие светодиоды синего свечения на базе InGaN были продемонстрированы Ш. Накамурой из японской компании Nichia. Это положило начало новой эре в применении светодиодов - использование в качестве источника света для освещения. Комбинация синего света и желтого фосфора позволила получить белый свет.Благодаря этому открытию светодиодные технологии начали бурно развиваться. В феврале 2008 года сотрудники Bilkent university в Турции заявили о получении 300 люмен видимого света на один ватт световой мощности. Это был белый цвет теплого оттенка, полученный с использованием нанокристаллов.
В январе 2009 года исследователи из Кембриджа под предводительством С. Хэмфри доложили о выращивании нитрида галлия на подложке из кремния. Этот способ позволяет сократить производственные затраты при производстве сверхярких светодиодов на 90% по сравнению с выращиванием структур на сапфировой подложке.
Физические аспекты
Принцип
работы светодиодаИзобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.
Электроны и дырки
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами (диэлектриками). При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике "сидит" в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Причем при росте температуры сопротивление полупроводников падает, то есть полупроводник при нагревании не уменьшает свою электропроводность, как металл, а, наоборот, увеличивает ее. Иначе говоря, в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.
При подведении энергии (теплоты или света) в кристаллических решетках полупроводников часть электронов "убегает" из верхних атомных оболочек, при этом образуется положительный заряд. То место, где в решетке не хватает электрона, называют "дыркой".
Под действием электрического напряжения электроны дрейфуют к одному электроду (положительному полюсу), а дырки - к другому (отрицательному), причем их место тут же занимают свободные электроны. Закономерности движения дырок таковы, что этим "пустым местам" физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и "эффективную массу".
В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Если добавлять в полупроводник атомы других элементов, его проводимость можно существенно увеличить. При введении легирующих примесей в различные части кристаллической решетки полупроводника возникает так называемая примесная проводимость (в отличие от собственной проводимости), которая, в зависимости от валентности легирующих элементов, называется либо электронной (проводимостью n-типа), либо дырочной (p-типа).
В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р-проводимостью, а другой - n-проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители (электроны или дырки), стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. На образующийся в этом слое p-n-переход можно воздействовать внешним напряжением, усиливая или, наоборот, "запирая" ток, проходящий через кристалл, - на основании этого принципа работают диоды и транзисторы. При положительной полярности внешнего напряжения (плюс - к p-зоне, минус - к n-зоне) барьер в p-n-переходе понижается, и происходит "перескакивание" (рекомбинирование) электронов и дырок в противоположные зоны, в результате чего выделяется энергия.
Сначала полупроводниковые приборы были только "гомопереходными" (как в случае с первым транзистором) - p-n-переход происходил внутри кристалла одного химического вещества. Но почти сразу появилась и идея гетероустройств, в которых такой переход образуется на стыке двух различных полупроводников. Реализация этой идеи позволила создать более миниатюрные приборы с большей эффективностью и функциональностью (так, первые в мире "гомопереходные" полупроводниковые светодиоды, а затем и лазеры могли работать только при температуре жидкого азота, а появившиеся позже гетеропереходные функционируют и при комнатной температуре).
(Авторы вставки - Ирик Имамутдинов, Тигран Оганесян)Большинство материалов, используемых при производстве светодиодов, имеют очень высокий уровень отражения. Это необходимо для того, чтобы как можно больше света, производимого светодиодом, выходило с его поверхности за пределы корпуса. Именно поэтому этому посвящено большое количество исследований во всем мире.
Эффективность и параметры использования
Обычный светодиодный индикатор расчитан на мощность не более 30-60 мВт . В 1999 году компания Philips Lumileds представила мощный светодиод мощностью 1 Ватт. В этом светодиоде был использован полупроводниковый кристал гораздо большей площади, чем применяющиеся в обычных светодиодах индикаторного типа. Он был смонтирован на металлическом основании, что позволило организовать эффективный отвод тепла с кристалла.Одной из ключевых позиций определения эффективности светодиода является световой выход на единицу мощности. Белый светодиод быстро достиг и превзошел показатели обычных систем на базе ламп накаливания. В 2002 году компания Lumileds произвела 5 Вт светодиод со значениями светового выхода на уровне 18-22 люмен/Ватт. Для сравнения, обычная лампа накаливания мощностью 60-100 Вт производит около 15 люмен на ватт. Люминесцентная лампа - около 100 Лм/Вт. Основной проблемой при разработке мощных светодиодов является падение светового потока при повышении тока , проходящего через кристалл.
В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода, производящий 24 мВт при токе 20 мА. Это позволило наладить коммерческого производство белых светодиодов с эффективностью 65 Лм/Вт при токе 20 мА, которые стали наиболее яркими на тот момент на рынке и превысили эффективность ламп накаливания более чем в четыре раза. В 2006 году эта же компания представила прототип белого светодиода со световым выходом 131 Лм/Вт на 20 мА.
Нужно отметить, что мощность СИД 1 Вт и более вполне достаточна для коммерческого применения в качестве источника основного освещения. Типовой ток подобных светодиодов - 350 мА. Хотя ведущие производители и производят светодиоды с эффективностью выше 100 Лм/Вт, в условиях реального использования многое зависит от условий эксплуатации и конструкции светильника. Энергетический департамент США, который в 2008 году проводил тестирование светодиодных ламп, представленных в широкой продаже, предоставил данные, говорящие о том, что большинство таких ламп имеет среднюю эффективность на уровне 31 Лм/Вт.
Компания Cree 19 Ноября 2008 года предоставила данные о лабораторном прототипе светодиода с эффективностью 161 Лм/Вт при комнатной температуре и температуре света 4689 К.
Неисправности и срок жизни светодиодов
Твердотельные устройства, такие как светодиоды, в очень малой степени подвержены повреждениям, когда работают при низких температурах и небольшом токе. Множество светодиодов, произведенных в 70-80 годах , работают по сей день. Теоретически, работоспособность светодиодов неограничена по времени, однако повышенный ток и высокая температура может легко вывести их из строя. Основной признак неисправности светодиода - сильное снижение светового выхода при номинальном рабочем напряжении. Разработка новых типов светодиодов привела к повышению рабочих токов и увеличению температуры кристалла. Реакция материалов, из которых производятся мощные светодиоды, на подобные условия, еще до конца не изучена, поэтому деградация кристаллов - одна из основных причин отказов. Светодиод считается неработоспособным, когда его световой выход падает на 75%.Материалы
В следующей таблице указана зависимость цвета свечения светодиода от материала полупроводника| Цвет | Длина волны (nm) | Вольтаж (V) | Материал полупроводника | |
|---|---|---|---|---|
| Инфракрасный | λ > 760 | ΔV < 1.9 | Gallium arsenide (GaAs) Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) |
|
| Красный | 610 < λ < 760 | 1.63 < ΔV < 2.03 | Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) |
|
| Оранжевый | 590 < λ < 610 | 2.03 < ΔV < 2.10 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) |
|
| Желтый | 570 < λ < 590 | 2.10 < ΔV < 2.18 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) |
|
| Зеленый | 500 < λ < 570 | 1.9[32] < ΔV < 4.0 | Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) Gallium(III) phosphide (GaP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP) |
|
| Синий | 450 < λ < 500 | 2.48 < ΔV < 3.7 | Zinc selenide (ZnSe) Indium gallium nitride (InGaN) Silicon carbide (SiC) as substrate Silicon (Si) as substrate — (в разработке) |
|
| Фиолетовый | 400 < λ < 450 | 2.76 < ΔV < 4.0 | Indium gallium nitride (InGaN) | |
| Пурпурный | разные типы | 2.48 < ΔV < 3.7 | Dual blue/red LEDs, синий с красным фосфором, белый с пурпурным фильтром |
|
| Ультрафиолетовый | λ < 400 | 3.1 < ΔV < 4.4 | diamond (235 nm)[33] Boron nitride (215 nm)[34][35] Aluminium nitride (AlN) (210 nm)[36] Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) — (down to 210 nm)[37] |
|
| Белый | Широкий спектр | ΔV = 3.5 | Синий/УФ диод и желтый фосфор |
Синие светодиоды
Синий светодиодПервый синий светодиод был изготовлен в 1971 году Jacques Pankove (изобретателем нитрида галлия). Но он производил слишком мало света, чтобы его можно было использовать на практике. Первый яркий синий диод был продемонстрирован в 1993 году и получил широкое распостранение.
Белый свет
Существует два пути получения белого света достаточной интенсивности с применением светодиодов. Первый из них - объединение в одном корпусе кристаллов трех основных цветов - красного, синего и зеленого. Смешение этих цветов позволяет получить белый цвет. Другой путь - использование фософора для преобразования синего или ультрафиолетового излучения в белый цвет широкого спектра. Подобный принцип используется при производстве ламп дневного света.Системы RGB
Белый цвет может быть получен смешением различных цветов, наиболее используемая комбинация - красный, синий и зеленый. Но из-за необходимости контролировать смешение и степень рассеивания цветов стоимость производства RGB-светодиодов довольно высока. Тем не менее этот метод интересен многим исследователям и ученым, так как позволяет получить разные оттенки цвета. При этом эффективность такого способа получения белого света очень высока.Есть несколько типов многоцветных белых светодиодов - ди-, три-, и тетрахроматичные. Есть несколько ключевых особенностей каждого из этих типов, включая стабильность цвета, цветопередачу и световую эффективность. Высокая световая эффективность подразумевает низкий индекс цветопередачи (CRI). Например, дихроматичный белый светодиод имеет лучшую световую эффективность (около 120 Лм/Вт), но самый низкий CRI. Тетрахроматичный - небольшую световую эффективность, но превосходный CRI. Трихроматичный находится примерно посередине.
Хотя многоцветные светодиоды являются не самым оптимальным решением для получения белого цвета, их использование позволяет создавать системы, производящие миллионы различных оттенков цвета. Основная проблема при этом - разные значения световой эффективности для основных цветов. При повышении температуры это вызывает "уплывание" необходимого цвета и, как следствие, более жестких требований к системам питания и контроля.
Светодиоды на базе фосфора
Спектр белого светодиода определяется синим светом, который излучается кристаллом на базе GaN (пик в районе 465 Нм) и, проходя через желтый фосфор (500-700 Нм) преобразуется в белый. Использование фосфора разных типов и оттенков позволяет получать разные оттенки белого - от теплого до самого холодного. Так же зависит от этого и качество цветопередачи . Нанесение на синий кристалл нескольких слоев фосфора разных типов позволяет добиться самого высокого CRI .СИД на базе фосфора имеют меньшую эффективность, чем обычные светодиоды, так как часть света рассеивается в слое фосфора, к тому же сам фосфор также подвержен деградации. Тем не менее это способ остается наиболее популярным при коммерческом производстве белых светодиодов. Наиболее часто используется желтый фосфорный материал Ce3+:YAG.
Также белые светодиоды могут быть изготовлены на базе ультрафиолетовых светодиодов с примененим фосфора красного и синего цвета с добавлением сульфида цинка (ZnS:Cu,Al) . Этот принцип аналогичен используемому в лампах дневного света. Этот способ хуже предыдущего, но позволяет добиться лучшей цветопередачи. К тому же ультрафиолетовые диоды имеют большую световую эффективность. С другой стороны, УФ излучение вредно для человека.
Органические светодиоды (OLED)
Если основа излучающей поверхности светодиода имеет органическое происхождение, такой светодиод называют OLED (Organic Light Emitting Diode). Излучающим материалом может быть небольшая молекула в фазе кристаллизации или полимер. Полимерные кристаллы могут быть гибкими, соответсвенно их называют PLED или FLED.По сравнению с обычными светодиодами, OLED светлее, а полимерные вдобавок позволяют делать источник света гибким. В будущем на базе таких светодиодов планируется изготовление гибких недорогих дисплеев для портативных устройств, источников света, декоративных систем, светящейся одежды. Но пока уровень разработки OLED не допускает их коммерческое применение.
Светодиоды на квантовых точках (экспериментальная разработка)
Новая технология производства светодиодов, разработанная M.Bowers предполагает покрытие синего светодиода "квантовыми точками", которые начинают излучать белый свет при облучении синим светом светодиода. Эта технология позволяет получить теплый желто-белый свет, схожий со светом ламп накаливания. "Квантовые точки" это нанокристаллы полупроводника, имеющие уникальные оптические характеристики. Их цвет излучения может быть изменен в широких пределах - от видимого спектра до невидимого - любой цвет в пределах CIE диаграммы.В сентябре 2009 года компания Nanoco Group объявила о заключении исследовательского соглашения с одной из крупнейших японских компаний. Темой исследований является дальнейшая разработка технологии "квантовых точек" для применения в жидкокристаллических телевизионных дисплеях.
Продолжение следует
Перевод, дополнение и адаптация - Юрий Рубан, led22.ru