Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике светоизлучающих диодов рекомбинация электронов и электронных дырок в полупроводнике производит свет (или инфракрасное излучение), этот процесс называется « электролюминесценцией».". Длина волны производимого света зависит от ширины запрещенной зоны используемых полупроводников. Поскольку эти материалы имеют высокий показатель преломления, для эффективного излучения света требуются такие конструктивные особенности устройств, как специальные оптические покрытия и форма кристалла. Светодиод - это долгоживущий источник света, но определенные механизмы могут вызвать медленную потерю эффективности устройства или внезапный отказ. Длина волны излучаемого света является функцией ширины запрещенной зоны используемого полупроводникового материала; таких материалов, как арсенид галлия, и другие, с различными легирующими элементами, используются для получения света разных цветов. Другой тип светодиодов использует квантовую точку.свойства и длину волны которого можно регулировать в зависимости от его размера. Светодиоды широко используются в функциях индикаторов и дисплеев, а белые светодиоды вытесняют другие технологии общего освещения.

Электролюминесценция [ править ]

Внутренняя работа светодиода, показывающая схему (вверху) и диаграмму диапазона (внизу)

В светодиодах p – n-переход излучает свет, когда через него протекает электрический ток. Это электролюминесценция . Электроны пересекают n-область и рекомбинируют с дырками, существующими в p-области. Свободные электроны находятся в зоне проводимости энергетических уровней, а дырки - в валентной энергетической зоне . Таким образом, уровень энергии дырок ниже энергетических уровней электронов. Некоторая часть энергии должна рассеиваться, чтобы рекомбинировать электроны и дырки. Эта энергия излучается в виде тепла и света.

Электроны рассеивают энергию в виде тепла для кремниевых и германиевых диодов, но в полупроводниках на основе арсенида галлия (GaAsP) и фосфида галлия (GaP) электроны рассеивают энергию, испуская фотоны . Если полупроводник полупрозрачный, переход становится источником света, превращаясь, таким образом, в светоизлучающий диод.

IV диаграмма диода . Светодиод начинает излучать свет, когда в прямом направлении подается более 2 или 3 вольт. В области обратного смещения используется другой вертикальный масштаб по сравнению с областью прямого смещения, чтобы показать, что ток утечки почти постоянен с напряжением до тех пор, пока не произойдет пробой. При прямом смещении ток небольшой, но экспоненциально возрастает с увеличением напряжения.

Длина волны излучаемого света и, следовательно, его цвет зависит от ширины запрещенной зоны материалов, образующих pn переход . В кремниевых или германиевых диодах электроны и дырки обычно рекомбинируют посредством безызлучательного перехода , который не дает оптического излучения, поскольку они являются материалами с непрямой запрещенной зоной . Материалы, используемые для светодиода, имеют прямую запрещенную зону с энергией, соответствующей ближнему инфракрасному, видимому или ближнему ультрафиолетовому свету.

Разработка светодиодов началась с инфракрасных и красных устройств, сделанных из арсенида галлия . Достижения в области материаловедения позволили создавать устройства с все более короткими длинами волн, излучающими свет различных цветов.

Светодиоды обычно строятся на подложке n-типа , с электродом, прикрепленным к слою p-типа, нанесенному на его поверхность. Подложки P-типа встречаются реже. Многие коммерческие светодиоды, особенно GaN / InGaN, также используют сапфировую подложку.

Показатель преломления [ править ]

Идеальный пример конусов излучения света в простом квадратном полупроводнике для зоны излучения с одним точечным источником. На левой иллюстрации показана полупрозрачная пластина, а на правой иллюстрации показаны полуконусы, образованные, когда нижний слой непрозрачен. Свет излучается одинаково во всех направлениях от точечного источника, но может выходить за пределы поверхности полупроводника только в пределах нескольких градусов перпендикуляра, что иллюстрируется формами конуса. Когда критический угол превышен, фотоны отражаются внутрь. Области между конусами представляют собой захваченную световую энергию, потерянную как тепло. [1]

Непокрытые полупроводники без покрытия, такие как кремний, имеют очень высокий показатель преломления по сравнению с воздухом. Фотоны, которые приближаются к поверхности под слишком большим углом к ​​перпендикуляру, испытывают полное внутреннее отражение . Это свойство влияет как на эффективность излучения света светодиодов, так и на эффективность поглощения света фотоэлектрическими элементами . Показатель преломления кремния составляет 3,96 (при 590 нм) [2], а показатель преломления воздуха - 1,0002926. [3]

В общем, плоская поверхность без покрытия полупроводника СИД чип излучает свет только который поступает почти перпендикулярен к поверхности полупроводника, в форме конуса называются световым конусом , конус света , [4] или побег конусом . [1] Фотоны, приходящие на поверхность под более наклонным углом, с углом падения, превышающим критический , претерпевают полное внутреннее отражение и возвращаются внутрь полупроводникового кристалла, как если бы его поверхность была зеркалом . [1]

Внутренние отражения могут проходить через другие грани кристалла, если угол падения достаточно мал и кристалл достаточно прозрачен, чтобы не поглощать излучение фотонов. Но для простого квадратного светодиода с поверхностями, расположенными под углом 90 градусов со всех сторон, все грани действуют как зеркала с одинаковым углом. В этом случае большая часть света не может уйти и теряется в кристалле в виде отработанного тепла . [1]

Изогнутая поверхность чипа с угловыми гранями, подобная драгоценному камню или линзе Френеля, может увеличить светоотдачу, распределяя свет перпендикулярно поверхности чипа и далеко в стороны от точки излучения фотона. [5]

Идеальной формой полупроводника с максимальной светоотдачей была бы микросфера с излучением фотонов, происходящим в точном центре, с электродами, проникающими в центр, чтобы контактировать в точке излучения. Все световые лучи, исходящие из центра, будут перпендикулярны всей поверхности сферы, что не приведет к внутренним отражениям. Полусферический полупроводник также будет работать с плоской задней поверхностью, служащей зеркалом для обратно рассеянных фотонов. [6]

Переходные покрытия [ править ]

После легирования пластины ее обычно разрезают на отдельные штампы . Каждый кубик обычно называют чипом.

Многие светодиодные полупроводниковые чипы залиты или залиты прозрачным или окрашенным литым твердым пластиком. Пластиковая оболочка предназначена для трех целей:

  1. Монтаж полупроводниковой микросхемы в устройствах осуществить проще.
  2. Крошечная хрупкая электропроводка имеет физическую опору и защищена от повреждений.
  3. Пластик действует как преломляющий посредник между полупроводником с относительно высоким показателем преломления и открытым воздухом с низким показателем преломления. [7]

Третья особенность помогает увеличить световое излучение полупроводника за счет уменьшения френелевских отражений фотонов внутри светового конуса. Плоское покрытие напрямую не увеличивает размер светового конуса в полупроводнике; он обеспечивает промежуточный более широкий угол конуса в покрытии, но критический угол между лучами в полупроводнике и в воздухе за пределами покрытия не изменяется. Однако с помощью изогнутого покрытия или инкапсуляции эффективность может быть дополнительно увеличена.

Эффективность и рабочие параметры [ править ]

Типичные светодиодные индикаторы рассчитаны на работу с мощностью не более 30–60 милливатт (мВт). Примерно в 1999 году Philips Lumileds представила мощные светодиоды, способные работать непрерывно при мощности 1 ватт . В этих светодиодах используются полупроводниковые кристаллы гораздо большего размера, чтобы выдерживать большие потребляемые мощности. Кроме того, полупроводниковые кристаллы устанавливались на металлические заглушки, чтобы обеспечить больший отвод тепла от кристалла светодиода.

Одно из ключевых преимуществ светодиодных источников освещения - высокая светоотдача . Белые светодиоды быстро уступили и превзошли по эффективности стандартные системы освещения лампами накаливания. В 2002 году Lumileds выпустила светодиоды мощностью 5 Вт со световой эффективностью 18–22 люмен на ватт (лм / Вт). Для сравнения: обычная лампа накаливания мощностью 60–100 Вт излучает около 15 лм / Вт, а стандартные люминесцентные лампы излучают до 100 лм / Вт.

По состоянию на 2012 год , Philips достиг следующих эффективности для каждого цвета. [8] Значения эффективности показывают физику - выходная мощность света на электрическую мощность в дюймах. Значение световой отдачи на ватт включает характеристики человеческого глаза и рассчитывается с использованием функции яркости .

В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода . Это произвело коммерчески упакованный белый свет с мощностью 65 лм / Вт при 20 мА, став самым ярким белым светодиодом, доступным на рынке в то время, и более чем в четыре раза более эффективным, чем стандартные лампы накаливания. В 2006 году они продемонстрировали прототип с рекордной светоотдачей белого светодиода 131 лм / Вт при 20 мА. Корпорация Nichia разработала белый светодиод со светоотдачей 150 лм / Вт при прямом токе 20 мА. [9] Светодиоды Cree XLamp XM-L, поступившие в продажу в 2011 году, производят 100 лм / Вт при полной мощности 10 Вт и до 160 лм / Вт при входной мощности около 2 Вт. В 2012 году Cree анонсировала белый светодиод с мощностью 254 лм / Вт [10] и 303 лм / Вт в марте 2014 года. [11]Практическое общее освещение требует мощных светодиодов не менее одного ватта. Типичные рабочие токи для таких устройств начинаются с 350 мА.

Эти значения эффективности относятся только к светодиоду, хранящемуся при низкой температуре в лаборатории. Поскольку светодиоды, установленные в реальных светильниках, работают при более высоких температурах и с потерями в драйвере, реальная эффективность намного ниже. Министерство энергетики США (DOE) тестирование коммерческих светодиодных ламп, предназначенных для замены ламп накаливания или КЛЛ, показало, что в 2009 году средняя эффективность все еще составляла около 46 лм / Вт (протестированные характеристики варьировались от 17 лм / Вт до 79 лм / Вт). [12]

Падение эффективности [ править ]

Падение эффективности - это уменьшение световой отдачи светодиодов по мере увеличения электрического тока .

Первоначально считалось, что этот эффект связан с повышенными температурами. Ученые доказали обратное: хотя срок службы светодиода сокращается, падение эффективности менее значимо при повышенных температурах. [13] Механизм, вызывающий падение эффективности, был идентифицирован в 2007 году как рекомбинация Оже . [14] [15]

Работа светодиодов при более высоких электрических токах не только менее эффективна, но и выделяет больше тепла, что может снизить срок службы светодиодов. Светодиоды высокой яркости часто работают при токе 350 мА, что является компромиссом между светоотдачей, эффективностью и долговечностью. [14]

Вместо увеличения уровней тока яркость обычно увеличивается за счет объединения нескольких светодиодов в одной лампочке. Решение проблемы снижения эффективности означало бы, что для бытовых светодиодных ламп потребуется меньше светодиодов, что значительно снизит затраты.

Исследователи из Лаборатории военно-морских исследований США нашли способ уменьшить падение эффективности. Они обнаружили, что спад возникает из -за безызлучательной оже-рекомбинации инжектированных носителей. Они создали квантовые ямы с мягким ограничивающим потенциалом, чтобы уменьшить безызлучательные оже-процессы. [16]

Исследователи из Тайваньского национального центрального университета и Epistar Corp. разрабатывают способ уменьшения падения эффективности за счет использования керамических подложек из нитрида алюминия (AlN), которые обладают большей теплопроводностью, чем коммерчески используемый сапфир. Более высокая теплопроводность снижает эффект самонагрева. [17]

Срок службы и отказ [ править ]

Твердотельные устройства, такие как светодиоды, подвержены очень ограниченному износу при работе при низких токах и низких температурах. Типичный срок службы составляет от 25 000 до 100 000 часов, но параметры нагрева и тока могут значительно увеличить или сократить это время. [18] Важно отметить, что эти прогнозы основаны на стандартном тесте, который не может ускорить все потенциальные механизмы, которые могут вызвать сбои в светодиодах. [19]

Наиболее частым признаком выхода из строя светодиодов является постепенное снижение светоотдачи. Внезапные сбои, хотя и редкие, тоже могут произойти. Первые красные светодиоды отличались коротким сроком службы. С развитием мощных светодиодов устройства подвергаются более высоким температурам перехода и более высокой плотности тока, чем традиционные устройства. Это вызывает нагрузку на материал и может вызвать преждевременное ухудшение светоотдачи. Срок службы светодиода может быть выражен как время работы до 70% или 50% от начальной мощности. [20]

В отличие от ламп накаливания или ламп накаливания, светодиоды работают только в том случае, если они достаточно прохладны. Производитель обычно указывает максимальную температуру перехода 125 или 150 ° C, и в интересах продления срока службы рекомендуется более низкая температура. При таких температурах излучение теряет относительно мало тепла, а это означает, что световой луч, генерируемый светодиодом, является холодным.

Отработанное тепло в мощном светодиодах передается через устройство к радиатору , который отводит тепло в окружающий воздух. Поскольку максимальная рабочая температура светодиода ограничена, необходимо рассчитать тепловое сопротивление корпуса, радиатора и интерфейса. Светодиоды средней мощности часто предназначены для пайки непосредственно к печатной плате , содержащей теплопроводный металлический слой. Мощные светодиоды упакованы в керамические корпуса большой площади, которые прикрепляются к металлическому радиатору с помощью термопасты или другого материала для отвода тепла.

Если светодиодная лампа не имеет свободной циркуляции воздуха, светодиод может перегреться, что приведет к сокращению срока службы или преждевременному выходу из строя. Тепловая конструкция системы должна учитывать температуру окружающей среды вокруг лампы; лампа в морозильной камере имеет более низкую температуру окружающей среды, чем лампа на рекламном щите в солнечном климате. [21]

Материалы [ править ]

Светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов . В следующей таблице показаны доступные цвета с диапазоном длин волн, падением напряжения и материалом:

Квантово-точечные светодиоды [ править ]

Квантовые точки (КТ) представляют собой полупроводниковые нанокристаллы с оптическими свойствами, которые позволяют изменять цвет их излучения из видимого в инфракрасный спектр. [30] [31] Это позволяет светодиодам с квантовыми точками отображать практически любой цвет на диаграмме CIE . Это обеспечивает больше вариантов цвета и лучшую цветопередачу, чем белые светодиоды, поскольку спектр излучения намного уже, что характерно для состояний с квантовыми ограничениями.

Существует два типа схем возбуждения квантовых точек. Один использует фотовозбуждение со светодиодом первичного источника света (обычно используются синие или УФ-светодиоды). Другой - прямое электрическое возбуждение, впервые продемонстрированное Alivisatos et al. [32]

Одним из примеров схемы фотовозбуждения является метод, разработанный Майклом Бауэрсом из Университета Вандербильта в Нэшвилле, включающий покрытие синего светодиода квантовыми точками, которые светятся белым в ответ на синий свет светодиода. Этот метод излучает теплый желтовато-белый свет, похожий на свет от ламп накаливания . [33] Квантовые точки также рассматриваются для использования в белых светодиодах в жидкокристаллических телевизорах. [34]

В феврале 2011 года ученые PlasmaChem GmbH смогли синтезировать квантовые точки для светодиодных приложений и построить на их основе преобразователь света, который мог эффективно преобразовывать свет из синего в любой другой цвет в течение многих сотен часов. [35] Такие КТ могут использоваться для излучения видимого или ближнего инфракрасного света с любой длиной волны, возбуждаемого светом с более короткой длиной волны.

Структура QD-светодиодов, используемых для схемы электрического возбуждения, аналогична базовой конструкции OLED . Слой квантовых точек зажат между слоями материалов, переносящих электроны и дырки. Приложенное электрическое поле заставляет электроны и дырки перемещаться в слой квантовых точек и рекомбинировать, образуя экситон, который возбуждает КТ. Эта схема обычно изучается для отображения квантовых точек . Возможность настройки длин волн излучения и узкая полоса пропускания также полезны в качестве источников возбуждения для флуоресцентной визуализации. Была продемонстрирована флуоресцентная сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле ( NSOM ) с использованием встроенного QD-LED. [36]

В феврале 2008 года с помощью нанокристаллов была достигнута световая отдача 300 люмен видимого света на ватт излучения (а не на один электрический ватт) и излучение теплого света . [37]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Мюллер, Герд (2000) Электролюминесценция I , Academic Press, ISBN  0-12-752173-9 , стр. 67, «конус выхода света» из полупроводника, иллюстрации световых конусов на стр. 69
  2. ^ «Оптические свойства кремния» . PVCDROM.PVEducation.org . Архивировано из оригинала на 2009-06-05.
  3. ^ Преломление - закон Снеллиуса . Interactagram.com. Проверено 16 марта, 2012.
  4. ^ Липтак, Бела Г. (2005) Справочник инженеров по КИП: управление и оптимизация процессов , CRC Press, ISBN 0-8493-1081-4 стр. 537, «конус света» в контексте оптических волокон 
  5. ^ Каппер, Питер; Маук, Майкл (2007). Жидкофазная эпитаксия электронных, оптических и оптоэлектронных материалов . Вайли. п. 389. ISBN. 978-0-470-85290-3. Граненые структуры представляют интерес для солнечных элементов, светодиодов, термофотоэлектрических устройств и детекторов, поскольку неплоские поверхности и грани могут усиливать оптическую связь и эффекты захвата света [с примером микрофотографии граненой кристаллической подложки].
  6. ^ Дакин, Джон и Браун, Роберт GW (ред.) Справочник по оптоэлектронике, Том 2 , Тейлор и Фрэнсис, 2006 ISBN 0-7503-0646-7 стр. 356, «Формовка кристалла - это шаг к идеальному решению - точечный источник света в центре сферического полупроводникового кристалла». 
  7. ^ Шуберт, Э. Фред (2006) Светодиоды , Cambridge University Press, ISBN 0-521-86538-7 стр. 97, «Эпоксидные герметики», «Эффективность вывода света можно повысить, используя куполообразные герметики с большим показателем преломления». 
  8. ^ «Все в 1 Руководство по решениям светодиодного освещения» . PhilipsLumileds.com . Philips . 2012-10-04. п. 15. Архивировано из оригинального (PDF) 14 марта 2013 года . Проверено 18 ноября 2015 .
  9. ^ "Nichia представляет белый светодиод со светоотдачей 150 лм / Вт" . Tech-On !. 21 декабря 2006 . Проверено 13 августа 2007 года .
  10. ^ "Cree устанавливает новый рекорд эффективности белых светодиодов" , Tech-On, 23 апреля 2012 г.
  11. ^ "Кри первым преодолеет барьер 300 люмен на ватт" , новости Кри
  12. ^ Программа DOE Solid-State Lighting CALiPER Краткое изложение результатов: 9-й раунд тестирования продукта (PDF) . Министерство энергетики США. Октябрь 2009 г.
  13. Выявление причин падения эффективности светодиода. Архивировано 13 декабря 2013 г., в Wayback Machine , Стивен Кипинг, Техническая зона корпорации Digi-Key.
  14. ^ a b Стивенсон, Ричард (август 2009 г.) Темный секрет светодиода: твердотельное освещение не заменит лампочку, пока оно не преодолеет таинственную болезнь, известную как спад. Архивировано 5 августа 2009 г. на Wayback Machine . IEEE Spectrum
  15. ^ Iveland, Джастин; Мартинелли, Лучио; Перетти, Жак; Спек, Джеймс С .; Вайсбух, Клод. «Причина падения эффективности светодиодов наконец раскрыта» . Physical Review Letters, 2013 . Science Daily . Проверено 23 апреля 2013 года .
  16. Маккинни, Донна (19 февраля 2014 г.) Дорожная карта по созданию эффективных светоизлучающих диодов зелено-синего-ультрафиолетового излучения , Лаборатория военно-морских исследований США.
  17. ^ Кук, Майк (11 февраля 2014 г.) Обеспечение работы высоковольтных светодиодов InGaN с керамической подложкой , Semiconductor Today
  18. ^ «Срок службы белых светодиодов» . Архивировано из оригинального 10 апреля 2009 года . Проверено 10 апреля 2009 ., Министерство энергетики США
  19. ^ Арнольд, Дж. Когда гаснет свет: режимы и механизмы отказа светодиодов . Решения DfR
  20. ^ Нарендран, N .; Ю. Гу (2005). «Срок службы светодиодных источников белого света». Журнал дисплейных технологий . 1 (1): 167–171. Bibcode : 2005JDisT ... 1..167N . DOI : 10.1109 / JDT.2005.852510 .
  21. ^ Conway, KM и JD Bullough. 1999. Будут ли светодиоды преобразовывать светофоры, как знаки выхода? Труды Ежегодной конференции Общества инженеров освещения Северной Америки (стр. 1–9), Новый Орлеан, Луизиана, 9–11 августа. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Общество инженеров освещения Северной Америки.
  22. OSRAM: зеленый светодиод. Архивировано 21 июля 2011 г. в Wayback Machine . osram-os.com. Проверено 16 марта, 2012.
  23. ^ Коидзуми, S .; Watanabe, K .; Hasegawa, M .; Канда, Х. (2001). «Ультрафиолетовое излучение алмазного pn перехода». Наука . 292 (5523): 1899–1901. Bibcode : 2001Sci ... 292.1899K . DOI : 10.1126 / science.1060258 . PMID 11397942 . 
  24. ^ Kubota, Y .; Watanabe, K .; Цуда, О .; Танигучи, Т. (2007). «Гексагональный нитрид бора, излучающий глубокий ультрафиолетовый свет, синтезированный при атмосферном давлении» . Наука . 317 (5840): 932–934. Bibcode : 2007Sci ... 317..932K . DOI : 10.1126 / science.1144216 . PMID 17702939 . 
  25. ^ Ватанабэ, К .; Taniguchi, T .; Канда, Х. (2004). «Прямозонные свойства и свидетельства ультрафиолетовой генерации монокристалла гексагонального нитрида бора». Материалы природы . 3 (6): 404–409. Bibcode : 2004NatMa ... 3..404W . DOI : 10.1038 / nmat1134 . PMID 15156198 . 
  26. ^ Taniyasu, Y .; Kasu, M .; Макимото, Т. (2006). «Светодиод из нитрида алюминия с длиной волны 210 нм». Природа . 441 (7091): 325–328. Bibcode : 2006Natur.441..325T . DOI : 10,1038 / природа04760 . PMID 16710416 . 
  27. ^ «Светодиоды переходят в ультрафиолет» . Physicsworld.com. 17 мая 2006 . Проверено 13 августа 2007 года .
  28. ^ Как подключить / подключить светодиоды. Архивировано 2 марта 2012 г. в Wayback Machine . Llamma.com. Проверено 16 марта, 2012.
  29. ^ Типы светодиодов по цвету, яркости и химическому составу . Donklipstein.com. Проверено 16 марта, 2012.
  30. ^ Светодиод на квантовых точках может быть предпочтительным экраном для будущей электроники. Служба новостей Массачусетского технологического института , 18 декабря 2002 г.
  31. ^ Neidhardt, H .; Wilhelm, L .; Загребнов В.А. (февраль 2015 г.). "Новая модель светоизлучающих-поглощающих устройств на квантовых точках: доказательства и дополнения" . Наносистемы: физика, химия, математика . 6 (1): 6–45. DOI : 10.17586 / 2220-8054-2015-6-1-6-45 .
  32. ^ Colvin, VL; Schlamp, MC; Аливисатос, А.П. (1994). «Светодиоды из нанокристаллов селенида кадмия и полупроводникового полимера». Природа . 370 (6488): 354–357. Bibcode : 1994Natur.370..354C . DOI : 10.1038 / 370354a0 .
  33. ^ «Случайное изобретение указывает на конец лампочки» . LiveScience.com. 21 октября 2005 . Проверено 24 января 2007 года .
  34. ^ Соглашение Nanoco знаки с крупной японской Electronics Company , nanocogroup.com (23 сентября 2009)
  35. ^ Nanotechnologie Aktuell, стр. 98-99, т. 4, 2011, ISSN 1866-4997 
  36. ^ Хосино, К .; Гопал, А .; Глаз, МС; Ванден Бут, DA; Чжан, X. (2012). «Наноразмерная флуоресцентная визуализация с электролюминесценцией ближнего поля с квантовыми точками». Письма по прикладной физике . 101 (4): 043118. Bibcode : 2012ApPhL.101d3118H . DOI : 10.1063 / 1.4739235 .
  37. Рианна Инман, Мейсон (1 февраля 2008 г.). «Хрустальное пальто согревает светодиодный свет» . newscientist.com . Проверено 30 января 2012 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Физика светодиодов в Curlie
  • Обучающее видео о светодиодах на YouTube