Светодиод слои кристалла

Содержание

Технология наноструктурирования увеличивает эффективность светодиодов

Светодиод слои кристалла

29 декабря

Рыночный спрос на светодиодную продукцию растет скачкообразными темпами, благодаря повсеместному использованию светодиодов в подсветке ЖК-телевизоров и потенциальной замене ими ламп накаливания и флюоресцентных ламп. Коммерческий успех светодиодов обусловлен неприрывным совершенствованием всех аспектов технологии изготовления светодиодов, охватывая выращивание эпитаксиального слоя, изготовление кристаллов и корпуса.

Эффективность светодиода измеряется соотношением мощности светового излучения и количеством потребляемой им энергии и определяется четырьмя факторами: внутренней квантовой эффективностью, эффективностью светоизвлечения, электро эффективностью и состоянием корпуса. Внутренняя квантовая эффективность определяет, сколько нужно фотонов для образования электронно-дырочных пар и зависит в большей степени от качества эпитаксиального слоя.

Эффективность светоизвлечения устанавливает, сколько из произведенных фотонов сможет покинуть световой прибор и зависит от кристалла и корпуса.

Традиционные подходы к увеличению эффективности

Благодаря высокому коэффициенту преломления полупроводниковой среды, светодиодные кристаллы изначально имеют низкую эффективность светоотдачи. Львиная доля произведенного света отражается во внутреннее пространство полупроводника, и лишь малая его часть выходит наружу. Выдвигалось много идей, как с помощью улучшения светоотдачи повысить эффективность всего светодиода.

В производстве светодиодов приняты два основных подхода: технологии произвольного текстурирования и шаблонной сапфировой подложки. Для того чтобы решить, какой из подходов к светоотдаче более эффективен необходимо рассмотреть строение современного чипа. Светоидодные чипы разделены на 4 категории в зависимости от типа подложки и типа соединения. В кристалле стандартного светодиода (рис. 1а) слой p-GaN расположен на самом верху, рядом с p- и n-электродами.

Эти электроды соединены с корпусом с помощью проводов. В перевернутом светодиоде (рис. 1б) сверху находится сапфировая подложка, а электроды присоединяются к подставке.

Хорошие преимущества в светоотдаче и рассеивании тепла дают удаление сапфирной подложки или использование проводящей основы. Обычно, для этого используется специальная технология «Laser-lift-off», которая удаляет сапфировую подложку с эпитаксиальных слоев. Таким образом, получается тонкопленочный светодиод. В вертикальном тонкопленочном светодиоде (рис.

 1с) электрод n расположен сверху, а поддерживающий проводник работает как p-электрод. Еще одним преимуществом такого светодиода является вертикальное течение тока. Когда кристалл светодиода без сапфировой подложки соеденен с помощью специальной подставки, он наывается тонкопленочным перевернутым светодиодом.

В этом случае оба электрода расположены на одной стороне как в стандартном перевернутом светодиоде.

Основным способом, использующимся в промышленности для повышения светоотдачи стандартного светодиода, является производное структурирование верхнего слоя p-GaN. Обычно, структурирование применяется во время выращивания эпислоя, в ходе процесса химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD).

Этот метод экономически эффективен и не требует каких-либо дополнительных действий. Однако увеличение размера подложки, а также потеря пропускной способности и однородности могут создать определенные проблемы. В случае с перевернутым или тонкопленочным светодиодами слой n GaN расположен лицевой стороной вверх и для увеличения светоотдачи должен быть неровным или узорным.

Для этого обычно применяется технология мокрого травления.

Большинство ведущих производителей сверх ярких светодиодов успешно пользуются этой технологией и, как известно,тонкопленочный перевернутый светодиод, у которого слой n GaN обработан по этой технологии обладает наивысшей (около 80%) на сегодняшний день светоотдачей.

Вместе с произвольным структурированием в современной светодиодной промышленности также широко используется и метод отформованной сапфировой подложки. Смысл заключается в том, чтобы вырастить эпислой не на плоской, а микроузорчатой подложке. Это дает как минимум два преимущества.

Во-первых, благодаря низкой пропускной способности эпислоя, выращенного на узорчатой сапфирной подложке, увеличивается внутренняя квантовая эффективность.

Во-вторых, так как узоры на поверхности эпислоя сапфира рассеивают и преломляют свет, уменьшая тем самым внутреннее отражение, повышается эффективность светоотдачи всего светодиода.

Наноформованные сапфирные подложки

Совсем недавно появилось несколько новых способов для увеличения коэффициента полезного действия светодиода. Они связаны с использованием нанотехнологий. Один из них — способ наноформованной сапфирной подложки(NPSS) является продолжением стандартного способа MPSS (микроформованной сапфирной подложки).

Но так как NPSS-способ требует литографическое оборудование с гораздо более высоким разрешением, то для того, чтобы им воспользовались, он должен иметь значительные преимущества по сравнению со способом MPSS.

Ряд исследований утверждает, что способ наноформованной сапфирной подложки эффективнее на 10-20%, однако ни один производитель светодиодов пока им не воспользовался.

Тем не менее, с точки зрения производственного процесса, NPSS способ имеет и дополнительные преимущества. По сравнению с MPSS, он имеет дело с гораздо меньшими по размеру схемами, а значит и времени на гравировку сапфира будет затрачено значительно меньше. То же самое касается и роста эпитаксиального слоя.

Не менее интересна идея комбинации NPSS способа с технологией laser-lift-off. Это позволит делать структурные узоры на вертикальных и тонкопленочных светодиодах без дополнительной гравировки и литографии. Более того, эпислой, произведенный NPSS способом, более качественный, а значит, может повысить эффективность всей светодиодной системы.

Технология изготовления фотонных кристаллов

Технология изготовления фотонных кристаллов разрабатывалась в течение длительного периода в качестве основной модели повышения эффективности светоотдачи. Ее идея в использовании периодических или квази-периодических структур, размером с длину световой волны в качестве дифракционной решетки для увеличения мощности выходного светового сигнала.

Несмотря на обширные научные исследования и их апробацию в промышленности, широкого распространения в производстве светодиодов метод фотонных кристаллов пока не получил. Исследования дали весьма неоднозначные результаты, зависящие от строения и применения кристалла, метода инкапсуляции и так далее. В каких-то случаях они были лучше стандартных, а в каких-то нет.

Недавно компания Philips Lumileds опубликовала доклад в журнале Nature photonics о том, что технология изготовления фотонных кристаллов с тонким (около 700 нм) n GaN слоем может обеспечить наивысшую эффективность светоотдачи. Технология фотонных кристаллов, вероятно, даст хорошее преимущество кристаллу светодиода с минимальным содержанием фосфора.

В случае белых светодиодов, чьи кристаллы содержат фосфор, данная технология ощутимых преимуществ не даст. Достоинства метода сводятся на нет свойствами фосфора, который делает движение светового потока внутри кристалла непредсказуемым.

Принимая во внимание все вышесказанное, можно предположить, что наиболее ощутимые преимущества данный метод даст в кристалле светодиода, излучающего свет прямиком в окружающее пространство. А такие преимущества, как хорошая пропускная способность, помогут компенсировать более высокие затраты на производство фотонных кристаллов.

Уже сегодня часть производителей светодиодов использует технологию ФК для увеличения выходной мощности света. Компания Luminus Devices использует ее в свермощных светодиодах, размещенных в проекторах и элементах подсветки ЖК-телевизоров.

Эпитаксиальное боковое приращивание (ЭБП)

Эпитаксиальное боковое приращивание не является новинкой, и уже давно используется в производстве синих светодиодов для лазеров. Идея заключается в том, чтобы встроить отформованные диэлектрики (SiO2 или SiNx) в слой n GaN. Они блокируют винтовые дислокации, не давая им преодолеть диэлектрический слой. Эпитаксиальные слои могут быть увеличены только через открытые площадки в диэлектрике, сливаясь друг с другом боковыми поверхностями.

В результате чего значительно снижается плотность винтообразных искажений кристаллической структуры. Из-за высокой затратности технология ЭБП очевидно вряд ли придется по вкусу производителям светодиодов. Однако на нее вновь обратили внимание, так как считается, что она поможет решить ряд проблем, возникающих при создании светоизлучающих полупроводников. В ходе недавних исследований были изучены свойства наноформованных диэлектриков.

Интересный факт — такой диэлектрик может работать как встроенный фотонный кристалл, и будет обладать лучшей светоотдачей, чем микроформованный. Также известны результаты, полученные для ЭБП с размерами в несколько нанометров. Однако из-за высоких производственных затрат эта технология вряд ли получит применение в крупносерийном производстве приборов на основе 2-х дюймовых сапфировых подложек.

Однако грядущий переход к производству на основе пластин большего диаметра (4—6 дюймов) открывает для ЭБП более широкие возможности в свете повышения эффективности светодиодов.

Поверхностный плазмон

Поверхностный плазмон представляет собой частицу коллективного электронного колебания на поверхности металла. В нано размерах или наноформовочном металле этот эффект значительно увеличен. Поверхностный плазмон –наиболее обсуждаемая тема в области исследования нано фотонов.

Она уже используется в коммерческих целях для биозондирования и исследования фотонных интегрированных цепей. Некоторые исследователи также доказали, что ПП способен увеличить коэффициент полезного действия солнечных батарей.

Ряд исследований показал, что при использовании технологии поверхностного плазмона происходит увеличение эффективности светодиодного освещения.

Считается, что поверхностный плазмон способен взаимодействовать напрямую с электронно-дырочными парами в квантовых ямах(источники излучения света внутри светодиодного кристалла), тем самым увеличивая скорость рекомбинации излучения. Однако на практике существует одна проблема.

Дело в том, что металлический слой должен находиться от области квантовой ямы на расстоянии в 100 нанометров.

Когда металлический слой расположен на верху светодиода, это является сдерживающим фактором и означает, что слой p-GaN должен быть очень тонким, что в свою очередь затрудняет распределение тока.

Наноимпринтная литография

Наноимпринтная литография сулит для светодиодов большие выгоды. Наличие волнообразности и дефектов делает наноформовку подложек довольно сложной задачей. Методы оптической литографии не точны, электронная литография чересчур медленна и затратна, обычная наноимпринтная литография благодаря вышеуказанным дефектам также показала свою несостоятельность.

Разработанный шведской компанией Obducat процесс оттиска для наноформовки светодиодов состоит из двух основных этапов. На первом этапе штамп воспроизводится на подходящей пленке из мягкого полимера. Таким образом, получается промежуточный полимерный штамп. На втором этапе с его помощью изображение переносится на нужную подложку.

Еще одна технология фирмы Obducat — Soft press. Штамповка происходит при помощи сжатого воздуха, с распределенным давлением, обеспечивая таким образом равномерное прижатие всей поверхности штампа. Технология позволяет получить однородный и достаточно тонкий остаточный слой на большой площади. Это является исключительно важным для печати с высоким разрешением и точности переноса желаемого рисунка.

Читайте также  Освещение витрины светодиодами

Учитывая требования к нанооттискам, предъявляемые производителями светодиодов, фирма Obducat разработала высокоэффективную установку наноимпринтной литографии Sindre (рис. 2), в которой реализуются все три вышеперечисленные технологии. Производительность машины — 30 пластин в час. На рисунке 3 показан оттиск на подложке GaN, полученный на системе Sindre 400.

Выводы и заключение

Для дальнейшего совершенствования светодиодных технологий наноформовка открывает много замечательных возможностей. Исследования по технологии фотонного кристала ведутся уже много лет, однако до сих пор не удалось снизить высокую, по сравнению с произвольным структурированием, стоимость процесса.

Выход из данной ситуации видится только один-интеграция технологии фотонного кристалла с технологиями наноформовки сапфирной подложки и эпитаксиального бокового приращения. Наибольшие шансы для коммерческого успеха имеет технология наноформовки сапфирной подложки (НФСП), поскольку является продолжением существующей на данный момент технологии.

Обнадеживающие результаты были получены в ходе многочисленных исследований. Возможно, эта технология таит в себе и другие преимущества перед микроформовкой сапфировой подложки, например, по технологии обработки. Экономичность в сочетании с прекрасным качеством открывает для наноимпринтной литографии прекрасные перспективы.

Она будет играть решающую роль в развитии светодиодной промышленности и изготовлении нанооттисковых светодиодов высокой эффективности.

Рис. 2. Квазикристаллическая структура на эпитаксиальном слое n GaN под электронным микроскопом

Источник: http://www.russianelectronics.ru/review/2195/doc/54026/

Кто изобрел светодиод и как он работает

Светодиод слои кристалла

Олег Лосев

Интересные факты о светодиодах• Светодиод изобрел Олег Лосев• Как устроен светодиод• Срок службы светодиодов   Средний срок службы   Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы? • Светодиоды греются   Как реагирует светодиод на нагрев

Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радио-лаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.

Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие «Losev Licht», как назвали эффект в Германии, где Лосев публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.

В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

Светодиод (англ. light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью.

В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света.

Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.

Значит, прежде всего, нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Как устроен светодиод

Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:

  •     InGaN — синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;
  •     AlGaInP — желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;
  •     AlGaAs — красные и инфракрасные светодиоды;
  •     GaP — желтые и зеленые светодиоды.

Кроме светодиодов лампового типа (3, 5, 10 мм, их форма действительно напоминает миниатюрную лампочку с двумя выводами), в последнее время все большее распространение получают SMD — светодиоды. Они совершенно иной конструкции, отвечающей требованиям технологии автоматического монтажа на поверхность печатной платы (surface mounted devices – SMD).

А сверхяркие светодиоды такого типа называются эммитеррами (emitter, англ. «излучатель»).

SMD светодиоды имеют более компактные размеры, допускают автоматическую расстановку и пайку на поверхность платы без ручной сборки. Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет, при ультракомпактных размерах.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком (Люмены) и осевой силой света (Кандела), а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучающих в телесном угле от 4 до 140 градусов.

Цвет, как обычно, определяется координатами цветности, цветовой температурой белого света (Кельвин), а также длиной волны излучения (нанометры).

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности (характеристика «Люмен/Ватт»).

Также интересной характеристикой оказывается цена одного люмена ($/Люмен).

Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происходит при их изготовлении. В партии поставки на современном производстве отбираются близкие по спектру излучения кристаллы.

Широкий диапазон оптических характеристик, миниатюрные размеры и гибкие возможности по дискретному управлению обеспечили применение светодиодов для создания самых различных световых приборов и изделий. Светодиод излучает в узкой части спектра, на определенной длине волны его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры.

Срок службы светодиодов

Основная характеристика надежности светодиодов – срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Срок службы отражает эти факты: различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока прибор не выйдет из строя).

Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче чем у маломощных сигнальных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм», рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм», но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного охлаждения (монтаж на MCPCB плату (печатная плата на металлической основе) и радиатор).

Средний срок службы

5 мм -LED и SMD-LED:

• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч. • синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч.

• красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.

HI-POWER LED от 1 Вт и выше:

• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч. • синий, зеленый до 80000 ч. • красный, желтый до 80000 ч.

Почему же у белых светодиодов наименьший срок службы?

К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал.

Основой диода белого цвета является структура InGaN, излучающая на длине волны 470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части.

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.

Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 — 80000 часов. Много это или мало?

50000 часов — это:

    24 часа в день 5.7 лет     18 часов в день 7.4 лет     12 часов в день 11.4 лет

    8 часов в день 17.1 лет

Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет, если теплоотвода нет?

Светодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED, тем больше тепла. Конечно, индикаторные светодиоды, например, датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.

И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод.

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у красных и желтых светодиодов, и меньше у зеленых, синих и белых.

Читайте также  Выключатель со светодиодом и светодиодные лампы

Источник: сайт НПО РоСАТ

Общая оценка материала: 5

Оценка незарегистрированных пользователей:

[Total: 3 Average: 5]

Источник: http://sneg5.com/nauka/izobreteniya/kto-izobrel-svetodiod-i-kak-on-rabotaet.html

Великое открытие физиков двадцатого века: полупроводниковый светодиод

Светодиод слои кристалла

Светодиод — прибор полупроводникового типа с электронно-дырочным переходом, который излучает свет определенной длины волны под воздействием тока, пропускаемого в прямом направлении.

В основе светодиода лежит кристалл полупроводникового типа, закрепленный на основе из меди или алюминия. Сверху кристалл закрывается слоем силикона и линзой из пластмассы. Вместе они образуют оптическую систему.

Элементы помещают в корпус с контактами (анодом и катодом). Верхние слои кристалла, соприкасающиеся с контактными зонами, легированы донорскими и акцепторными аддитивами.

Открытие светодиода

Предпосылки к появлению твердотельных полупроводящих элементов заложил еще Майкл Фарадей в 1833 году, обнаружив повышение электрической проводимости в сульфиде серебра (полупроводнике) с ростом температуры. Фарадей не смог объяснить причину эффекта.

В 1874 году Фердинанд Браун описал проводимость электрического тока полупроводниками только в одном направлении. Но объяснить свойство, противоречащее закону Ома он не смог. Открытие Брауна стало востребованным спустя пол века, когда на его основе создали детекторный приемник.

Гринлиф Виттер Пикард в 1906 году запатентовал детектор кристаллической структуры. Он установил, что ряд таких кристаллических материалов, как галенит, кремний, и др., при контакте с металлом действует как выпрямитель и демодулятор переменного тока высокой частоты, который возникает в антенне при приеме радиоволн.

Впервые на эффект электролюминесценции обратил внимание английский ученый Генри Рауд в 1907 году. Проводя эксперименты с током, проходящим через металл-карборунд. Он заметил свечение, которое испускал твердотельный диод, изучил и описал его.

В 1923 году подобный эксперимент поставил советский экспериментатор Олег Лосев. Лосев проводил свой эксперимент независимо от Рауда, возможно, вовсе не знал о нем. Свечение ученый-физик (на тот момент лаборант) заметил при контакте карборунда со стальной проволокой.

Исследователь сделал выводы, согласно которым данное явление можно использовать для создания быстродействующих, компактных, твердотельных осветительных элементов с минимальным энергопотреблением.

В 1927 г Лосев получил патент на «Световое реле». Физик до конца жизни занимался исследованиями данной области.

Нашел более эффективные полупроводники, создал удобный полупроводниковый прибор на основе цинкита, заметно повышающий качество радиоприема.

Он сделал еще ряд важнейших открытий, которые легли в основу современных высокотехнологичных устройств на основе полупроводниковых светодиодов, в том числе, открыл явления предпробойной электролюминесценции и инжекционной люминесценции.

Вероятно, ученый имел шансы сделать еще более грандиозные научные достижения, но умер в блокадном Ленинграде. Судьба работ, над которыми он трудился последние годы жизни, неизвестна.

Лампы на основе полупроводниковых светодиодов стали выпускать в промышленных масштабах лишь в 1951 году.

1961 год ознаменовался открытием инфракрасного светодиода. Разработали и запатентовали его Р. Байард и Г. Питтман. Были запущены в производство индикаторные лампы с красным и желто-зеленым излучением.
В конце 1960-х Hewlett-Packard собрала первый в мире рекламный светодиодный дисплей, состоящий из красных диодов с очень низкой яркостью.

Открытия Лосева легли в основу научных изысканий японского физика Лео Исаки, который спустя 30 лет после открытия Лосева, установил, что прибор Лебедева являлся туннельным диодом, за что получил Нобелевскую премию в 1973 году.

В последующие годы ученые активно работали над увеличением яркости и диапазона излучения полупроводниковых светодиодов.

В 1970-х годах советский академик Жорес Иванович Алферов на базе арсенида галлия на подложке вырастил многопроходную двойную слоистую структуру, образованную полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны (гетероструктуру). В области контакта таких полупроводников образуется повышенное количество носителей заряда, что в видимой, для человеческого глаза области, проявляется заметно более ярким свечением светодиодов, по сравнению с гомоструктурами (полупроводниками с единственной шириной запрещенной зоны).

Открытие было удостоено Ленинской и Нобелевской премий. После этого началось серийное промышленное производство светодиодов.

В 1976 году Hewlett-Packard запустил производство светодиодов с желтым, красно-оранжевым, желто-зеленым свечением.

Дж. Панковым были созданы светодиоды, излучающие фиолетовый и синий свет, однако срок их службы был настолько мал, что промышленного применения они не нашли.

Уже в середине 1980-х годов светодиоды массово производились в СССР, западных странах, Японии и Китае. Их стали применять в качестве самостоятельных осветительных приборов (карманные фонарики), монтировать в автомобили и пр.

В 1991 году японский физик Ш. Накамура изобрел долговечный светодиод, излучающий в синем диапазоне видимого спектра, положив начало производству современных светодиодных RGB (red, green, blue) экранов и энергосберегающих ламп, поскольку смешение красного, зеленого, голубого свечения дают мощный поток белого света.

Дальнейшее развитие светодиодной промышленности до не давнего времени было направлено на увеличение яркости, уменьшение размеров светодиодов и расстояния между ними, а также на повышение срока службы.

В последние время ученые делают акцент на создание органических светодиодов (OLED). Их главное достоинство — очень малые размеры и особенности производства. Органические полупроводниковые элементы наносит на подложку специальный «принтер». Технология напоминает струйную печать. Уже существуют OLED экраны. При уменьшении стоимости производства, они мгновенно получат широкое распространение.

Где применяют светодиоды?

Первые светодиоды, выпущенные серийно, были тусклыми их применяли как индикаторные лампы в различных приборах. С увеличением яркости расширилась область применения. Их стали устанавливать для подсветки в автотранспортных средствах. Начался выпуск портативных фонариков со светодиодными лампами.

В настоящее время, полупроводниковые светодиоды применяют повсеместно:

  • для освещения жилых и нежилых помещений;
  • освещения улиц;
  • в портативных фонариках;
  • в телефонах/смартфонах в качестве встроенных фонариков различной мощности;
  • в транспортных средствах;
  • для изготовления светодиодных вывесок/светодиодных табло;
  • для производства аптечных крестов;
  • в производстве интерьерных и экстерьерных светодиодных экранов различных конструкций для рекламы, спортивных трансляций, оформления сцен;
  • для изготовления светодиодных занавесей;
  • при оформлении архитектурных сооружений;
  • для создания уникального интерьера (светодиодные фигуры, экраны необычных форм);
  • при изготовлении информационных табло;
  • в приборостроении, в качестве индикаторов.

Аренда светодиодных экранов отлично подойдет собственникам магазинов и салонов, которым нужна периодическая реклама.

Что такое каркасы для светодиодных экранов и как их выбрать? Читайте об этом здесь.

Описание ТОП-10 самых известных медиафасадов вы найдете в нашей статье.  

Какое будущее ждет светодиоды?

Несомненно, производство светодиодов — направление перспективное. Люди постепенно от ламп накаливания и опасных ртутных ламп переходят к светодиодным источникам освещения, которые потребляют значительно меньше энергии, дают много света и служат гораздо дольше обычных ламп. Ученые работают над усовершенствованием осветительных приборов на полупроводниковых светодиодах и создании еще большего разнообразия предложений на рынке.

Другое перспективное направление — органические светодиоды. Ввиду сравнительно высокой стоимости производства, они еще некоторое время будут оставаться довольно дорогими. На сегодняшний день, OLED уверенно производят 3 компании: Samsung, Panasonic, LG.

Технология, разработанная специалистами Kodak и выкупленная компанией LG, значительно легче в производстве, и позволяет создавать экраны больших размеров, чем технология конкурирующей Samsung.

Можно предположить, что экраны на основе OLED в обозримом будущем вытеснят привычные LED-дисплеи.

Уже существуют и гибкие, прозрачные OLED смартфоны. Их серийное производство также считается перспективным.

Источник: http://svetodiodnyiekran.ru/poleznaya-informatsiya/istoria-vozniknovenija-svetodiodov.html

Устройство светодиода: принцип работы и конструкция

Светодиод слои кристалла

Наверняка в наше время нет таких людей, которые ни разу не сталкивались со светодиодами. Ведь сейчас они повсюду – их используют и для простых фонариков, и для ламп домашнего освещения, и для фонарных столбов на улицах, и для автомобилей, и даже для чайников с подсветкой. И это не удивительно, ведь на данный момент более экологичного и энергосберегающего, да к тому же еще и столь компактного вида осветительных приборов не существует.

Конечно, почти каждый видел свечение работающего LED-компонента и знает, что такое светодиод, но очень многие даже представления не имеют, как устроен этот элемент освещения. А ведь такие знания могут пригодиться, и потому имеет смысл попытаться разъяснить устройство светодиода и принцип его работы, рассказать о существующих в наше время видах и модификациях.

Вообще начало этим компактным световым элементам было положено в середине прошлого столетия и применялись они лишь для индикации подсветки в различных приборах, т. к. свет их был не очень ярким, можно сказать, даже тусклым. Однако все изменилось в конце ХХ века с появлением синего светового диода, а уже после появились яркие элементы подобного типа зеленого, желтого и белого цвета.

Светодиод представляет собой миниатюрный световой прибор в корпусе из литого пластика различных цветов с двумя и более контактами на основе кристалла. На сегодняшний день это довольно распространенный вид освещения.

Кто-то может сказать, что в эти дебри не стоит и лезть, что это все очень сложно, но на самом деле светодиоды просты, как все гениальное, и понять, как работает светодиод, не составит труда. Итак, приступим.

Классификация светодиодов

Две различные конструкции светодиодов

Классифицируют светодиоды по многим характеристикам, но основной из них является небольшая технологическая разница в устройстве, которая вызвана различием по электрическим параметрам, равно как и областью использования осветительного прибора на кристаллах. А из чего состоит светодиод, можно увидеть на картинке выше.

Различают несколько конструкций светодиодов в зависимости от того, как он устроен.

DIP

Имеет корпус в виде цилиндра на два контакта. Это первый из изобретенных светодиодов. Сама его оболочка из эпоксидной смолы, закругленная сверху, работает как линза, направляя световой поток в нужном направлении. Выводные контакты утапливаются ножками в специальные отверстия печатной платы и припаиваются. Сам излучатель располагается на катоде, имеющем форму флажка и присоединенном к аноду тонким проводком.

Различные модификации могут иметь и два, и три кристалла различных цветов, объединенных одним корпусом с двумя-четырьмя выводами. К тому же некоторые могут быть оборудованы и встроенным микроконтроллером, который управляет режимами включения или задает время мерцания кристаллов.

Подобные DIP-элементы являются слаботочными. Используют их в основном, как индикаторы или в качестве световых элементов гирлянд.

Конечно, как и любой прибор, его пытались усовершенствовать с целью наращивания светового потока, в результате чего был произведен более высокотехнологичный светодиод в том же корпусе на четыре вывода. Такая конструкция светодиода была названа «пиранья».

Но увеличившийся световой поток привел, естественно, и к увеличению элемента, и к нагреву кристаллов, в результате этого «пиранья» не получила широкого применения. Ну а при появлении на рынке радиоэлектроники SMD-компонентов, имеющих другое строение, смысл в производстве подобных светодиодов и вовсе пропал.

Читайте также  Расчет линзы для светодиода

SMD

Данный компонент на кристаллах отличен от предыдущего в первую очередь тем, что его монтаж производится непосредственно на поверхность печатной платы. По сути, его изобретение произвело прорыв в данной области. И если при монтаже DIP-светодиодов можно был крепить элементы лишь только по одной стороне платы, т. к. токопроводящие дорожки находились на другой, то с приходом SMD-компонентов появилась возможность монтировать двухсторонние печатные платы.

Это, вкупе с более мелкими габаритами элементов, позволило значительно снизить размеры приборов на их основе и полностью автоматизировать процесс сборки печатных плат.

На сегодняшний день подобные светодиоды являются самыми востребованными и используются для изготовления различных световых приборов. Основание корпуса SMD-светодиода, сверху которого закреплен кристалл, служит ему также и радиатором. К тому же слой люминофора между линзой и полупроводником (от чего зависит цвет светодиода) может иметь различный состав и позволяет нейтрализовать излучение ультрафиолета.

Есть и такие SMD-светодиоды, у которых нет линзы. Такой элемент выпускается в форме прямоугольника или квадрата и имеет более широкий угол излучения.

СОВ (Chip-On-Board)

Расшифровка названия данного компонента в переводе с английского звучит как «чип на доске». Новейшая разработка, которая, скорее всего, очень скоро станет лидером среди светодиодов в создании искусственного освещения.

Отличаются подобные компоненты тем, что на алюминиевом основании (подложке) посредством диэлектрического клея закрепляется не один, а множество кристаллов, не имеющих корпусов, а после готовая матрица покрывается полностью люминофором.

В итоге получившийся таким образом светодиод равномерно распределяет световой поток, исключающий тенеобразование.

Существует и еще одна разновидность светодиодов СОВ – это компоненты, созданные по технологии COG (Chip-On-Glass, что означает «чип на стекле»). Кристаллы здесь размещены не на алюминиевой подложке, а на стеклянной. Как раз на основе светодиодов, созданных по такой технологии, появилась возможность производства довольно известных филаментных ламп, которые работают от сети с напряжением 220 вольт. Излучателем в них служит стержень из стекла с кристаллами, на которые нанесен слой люминофора.

Принцип действия светодиода

Независимо от описанных технических классификаций принцип работы всех без исключения светодиодов основан на излучающем элементе. Кристалл, который является по своей сути полупроводником, имеющим различные типы проводимости, преобразует электрический ток в свечение. N-проводимый материал получается при помощи легирования электронами, ну а p-проводимый – дырами. В итоге происходит создание новых носителей заряда с противоположной направленностью.

В результате, когда подается прямое напряжение, электроны, как и дыры, начинают движение в сторону p-n-перехода. При преодолении барьера заряженными частицами начинается их рекомбинация. В итоге это и создает возможность прохождения электрического тока. Ну а в процессе рекомбинирования электроны и дыры уже выделяют фотоны.

Применение подобного физического явления относится ко всем элементам, подпадающим под определение полупроводникового диода. Проблема в том, что пределы видимого спектра излучения расположены ближе длины фотонов. По этой причине учеными была проведена огромная работа над тем, чтобы упорядочить движение частиц, заставив их двигаться в промежутке от 400 до 700 нм.

Но зато после всех проведенных экспериментов появилось несколько новых соединений вроде арсенида галлия и фосфида галлия, ну и, конечно, их более сложных форм, которые имеют различную длину волн, т. е. цвет излучения.

Принцип излучения света полупроводником

Конечно же, при подобной работе по выделению света должно образовываться и тепло, хотя и в небольших количествах, ведь законы физики никто не отменял. По этой причине (ведь нагрев снижает производительность полупроводников) при установке светодиодов большой мощности появляется необходимость охлаждения, для чего и требуется радиатор. Роль такого охлаждающего элемента в СОВ, к примеру, и играет алюминиевое основание, на котором расположены кристаллы.

Спектры излучения

Современные светодиоды имеют шесть основных спектров, т. е. их свечение может быть желтым, зеленым, красным, синим, голубым и белым. И самым сложным для ученых оказалось создание голубого светового элемента на кристаллах.

Вообще частота исходящих от светодиодов излучений лежит в узком направлении. Опираясь на все данные, ее можно назвать монохромной. И естественно, что она имеет кардинальное отличие от частоты солнечного излучения или ламп накаливания.

Уже не первый год ведутся споры по поводу влияния подобного излучения на зрение человека, равно как и на весь организм в целом. Но проблема заключается в том, что все подобные дискуссии так до сих пор ни к чему и не привели, потому как нет ни одного документального доказательства о проведении исследований в этой области.

Преимущества

Если рассматривать преимущества светодиодов, то их наберется весьма значительное количество.

Во-первых, они очень экономичны в плане расхода электроэнергии. На сегодняшний день нет световых приборов, которые могли бы с ними соревноваться по этому параметру. Причем это никак не отражается на силе светового потока, излучаемого элементами на кристаллах.

К экономичности можно отнести и срок службы подобных LED-компонентов, т. к. частое приобретение приборов освещения негативно сказывается на финансовом состоянии. Если посмотреть на статистику, то светодиодные лампы приходится покупать в 10 раз реже, чем люминесцентные, а лампочки накаливания вообще меняются чаще в 35–40 раз. В то же время расход электроэнергии при использовании светодиодов в сравнении с «лампочкой Ильича» ниже на 87%!

Во-вторых, светодиодные лампы удобны и просты в подключении и не требуют при этом каких-то особых навыков. К тому же, к примеру, в тех же рекламных щитах при выходе из строя нескольких элементов не произойдет ничего страшного. На его работе это никак не отразится. Ну а при огромном сроке службы светодиодов решается и проблема их замены. А главное удобство – это то, что работать такие элементы могут практически при любой температуре.

В-третьих, это, конечно, их надежность. Ведь для того, чтобы расколоть лампу накаливания или люминесцентную трубку, не нужно прикладывать особых усилий. А вот со светодиодом придется повозиться. Эпоксидный корпус так легко не расколоть.

Нельзя обойти вниманием и эстетическую сторону данного вопроса, ведь возможность игры с цветом при применении этих источников освещения практически ничем не ограничена, кроме воображения, фантазии человека. Работу со светодиодами можно сравнить с искусством рисования художником своих полотен.

А потому, несмотря на то, что в наше время продажи подобных световых элементов пока не слишком внушительны, скорее всего, пройдет совсем немного времени, и светодиоды выйдут на первое место по этому показателю, вытеснив остальные виды освещения с прилавков магазинов электротехники.

Источник: https://LampaGid.ru/vidy/svetodiody/printsip-raboty

Устройство и принцип работы светодиодов

Светодиод слои кристалла

С момента открытия красного светодиода (1962 г.) развитие твердотельных источников света не останавливалось ни на миг. Каждое десятилетие отмечалось научными достижениями и открывало для ученых новые горизонты. В 1993 году, когда японским ученым удалось получить синий свет, а затем и белый, развитие светодиодов перешло на новый уровень. Перед физиками всего мира стала новая задача, суть которой заключалась в использовании светодиодного освещения в качестве основного.

В наше время можно сделать первые выводы, свидетельствующие об успехах становления светодиодного освещения и продолжающейся модернизации светодиода. На прилавках магазинов появились светильники со светодиодами, изготовленными по технологии COB, COG, SMD, filament.

Как устроен каждый из перечисленных видов, и какие физические процессы вынуждают полупроводниковый кристалл светиться?

Что такое светодиод?

Перед разбором устройства и принципа работы, кратко рассмотрим, что светодиод из себя представляет.

Светодиод – это полупроводниковый компонент с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании электрического тока в прямом направлении.

В отличие от нити накала и люминесцентных источников света, испускаемый свет светодиодом лежит в небольшом диапазоне спектра. То есть кристалл светоизлучающего диода испускает конкретный цвет (в случае со светодиодами видимого спектра). Для получения определенного спектра излучения в светодиодах используют специальный химический состав полупроводников и люминофора.

Устройство, конструкция и технологические отличия

Существует много признаков, по которым можно классифицировать светодиоды на группы. Одним из них является технологическое отличие и небольшое различие в устройстве, которое вызвано особенностью электрических параметров и будущей сферой применения светодиода.

COB

Chip-On-Board – одно из новейших практических достижений, которое в ближайшем будущем займет лидерство по производству белых светодиодов в искусственном освещении.

Отличительная черта устройства светодиодов по технологии COB заключается в следующем: на алюминиевую основу (подложку) через диэлектрический клей крепят десятки кристаллов без корпуса и подложки, а затем полученную матрицу покрывают общим слоем люминофора.

В результате получается источник света с равномерным распределением светового потока, исключающий появление теней.

Разновидностью COB является Chip-On-Glass (COG), которая подразумевает размещение множества мелких кристаллов на поверхности из стекла. В частности, широко известны филаментные лампы на 220 В, в которых излучающим элементом служит стеклянный стержень со светодиодами, покрытыми люминофором.

Принцип работы светодиода

Несмотря на рассмотренные технологические особенности, работа всех светодиодов базируется на общем принципе действия излучающего элемента. Преобразование электрического тока в световой поток происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с разным типом проводимости. Материал с n­-проводимостью получают путем его легирования электронами, а материал с p-проводимостью – дырками.

Таким образом, в сопредельных слоях создаются дополнительные носители заряда противоположной направленности. В момент подачи прямого напряжения начинается движение электронов и дырок к p-n-переходу. Заряженные частицы преодолевают барьер и начинают рекомбинировать, в результате чего протекает электрический ток.

Процесс рекомбинации дырки и электрона в зоне p-n-перехода сопровождается выделением энергии в виде фотона.

Вообще, данное физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Но в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра излучения. Чтобы заставить элементарную частицу двигаться в диапазоне 400-700 нм ученым пришлось провести немало экспериментов с подбором подходящих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и более сложные их формы, каждая из которых характеризуется своей длиной волны, а значит, и цветом излучения.

Кроме полезного света, испускаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется некоторое количество теплоты, которая снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому в конструкции мощных светодиодов должна быть продумана возможность реализации эффективного отвода тепла.

Источник: https://ledjournal.info/spravochnik/ustrojstvo-i-princip-raboty-svetodioda.html