Сверхяркие светодиоды.

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (в английском варианте LED - light emitting diodes), хорошо известны каждому как миниатюрные индикаторы (обычно красного, зеленого или желтого цвета), применяемые в аудиовидеоаппаратуре и бытовой технике.

Чтобы понять, почему этим маленьким "огонькам" пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее их устройство, характеристики, принципы работы и историю создания и развития.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n-переходом или контактом металл-полупроводник, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение. Напомним, что p-n-переход - это "кирпичик" полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов - "n-тип", второй с избытком дырок - "p-тип"). Если к p-n-переходу приложить "прямое смещение", т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США). Помимо них в 60-е годы были созданы светодиоды из GaP с красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход (отношение числа излученных светодиодом фотонов к общему числу перенесенных через p-n-переход элементарных зарядов) был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500…600 нм - области наивысшей чувствительности человеческого глаза (рис.5), поэтому яркость их желто-зеленого излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1…2 лм/Вт.

Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям - увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу советских ученых, в частности Ж.И. Алферова с сотрудниками, еще в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие 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 2000 году, когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники.

Исследования 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 длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое "узкополосное" излучение называют "квазимонохроматическим". Как источники "цветного" света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами.

Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds обеспечивают 50 лм/Вт для красной и даже 65 лм/Вт для оранжево-красной части спектра (www.luxeon.com). 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 несколько лет назад Ш. Накамура из компании Nichia Chemical с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия-галлия 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": теперь стало возможным получение любого цвета, в том числе любого оттенка белого цвета простым смешением цветов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

Основой более дешевого LED белого цвета свечения является структура InGaN, излучающая на длине волны 470 нм (синий цвет), и нанесенный сверху на нее люминофор, излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части спектра. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Такие светодиоды намного дешевле трехкристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по световой отдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания ("мировые рекорды" яркости, мощности и эффективности, похоже, начали сыпаться, как из рога изобилия; на последней Lightfair-2002 Lumileds Lighting показала белый Luxeon мощностью 5 Вт с потоком 120 лм).

Еще один метод получения белого света - возбуждение трехслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра по аналогии с кинескопом цветного телевизора (УФ-светодиод в данном случае "заменяет" электронную пушку кинескопа).

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 5-миллиметровый корпус (рис.6, где 1 - видимое излучение, 2 - кристалл, 3 - оптически прозрачный полимерный корпус, 4 - выводы - анод, катод).

Кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, светодиоды обладают целым рядом других замечательных свойств.

Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает фантастический срок службы. Производители светодиодов декларируют срок службы до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы, - срок, сравнимый с жизненным циклом многих осветительных установок. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность.

Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие (например, для светофоров, стоп-сигналов и пр.).

Сверхминиатюрность и встроенное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются неожиданно компактными, плоскими и удобными в установке.

Светотехнические характеристики

Обычно в справочных данных указывается осевая сила света Io светодиода в милликанделлах для заданного значения прямого тока Iпр. Для современных сверхярких светодиодов значение Io колеблется в пределах 800…8000 мКд (здесь речь идет о стандартных 5-миллиметровых светодиодах, для приборов больших размеров прямой ток может измеряться сотнями миллиампер и даже амперами, а сила света - десятками канделл).

Характер светораспределения определяется углом излучения. Естественно, чем меньше угол излучения, тем больше осевая сила света при том же световом потоке. Обычно указываются также цвет свечения и длина волны излучения.

Цветовая температура и общий индекс цветопередачи весьма актуальны для белых светодиодов, применяемых в целях освещения. Производители декларируют Ra до 75…85 (хорошая цветопередача). Еще лучших результатов можно добиться, "синтезируя" белый цвет путем смешения нескольких цветов; при этом белые светодиоды могут использоваться совместно с "цветными".

Электрические характеристики

Электрические характеристики светодиодов очень важны по двум причинам. Во-первых, светодиод должен работать в соответствующем режиме, чтобы полностью реализовать свой ресурс. Во-вторых, яркостью светодиодов можно легко управлять, а если применять смешение цветов, таким же легким становится управление цветом прибора, в состав которого входят светодиоды разных цветов.

Светодиоды допускается "запитывать" в импульсном режиме, при этом импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импульсов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - метод, очень распространенный в современной электронике. Это позволяет создавать контроллеры с возможностью плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колорчейнджеры).