Основные характеристики сверхъярких светодиодов

August 20, 2011 by admin Комментировать »

Темпы повышения световой отдачи светодиодов видимого спектра впечатляют. Их можно сравнить с темпами разработки кремниевых интегральных схем, скорость улучшения характеристик которых подчиняется «закону Мура», согласно которому производительность этих микросхем удваивается приблизительно каждые 18 мес.

На рис. 12.13 показаны этапы увеличения световой отдачи светодиодов видимого спектра (Craford, 1997, 1999). Видны скромные началь-

‘) См. приоритетные работы В. Ю. Давыдова и др. [11, 12].

Рис. 12.13. Изменение с течением времени световой отдачи светодиодов видимого спектра в сравнении с другими источниками света (Craford, 1997, 1999,

2000)

 

ные темпы развития технологии изготовления светодиодов видимого спектра в 1960-х гг. Если с 1960 г. по 2000 г. улучшение световой отдачи шло постепенно, то после 2000 г. она удваивалась каждые четыре года. На рис. 12.13 представлены следующие типы светодиодов.

•    Светодиоды на основе GaAsP, выращенные на подложках GaAs. Поскольку параметры решеток GaAsPи GaAsне согласованы, в эпитаксиальных слоях GaAsPобразуется много дислокаций несоответствия. Поэтому для светодиодов этого типа характерны низкие значения световой отдачи 0,1 лм/Вт). Благодаря простоте эпитаксиального выращивания и низкой стоимости изготовления светодиоды красного свечения на основе GaAsPвыпускаются до сих пор.

•    Светодиоды на основе GaP, легированные примесями, играющими роль центров излучательной рекомбинации. GaPбез примесей является непрямозонным полупроводником с низкой светоотдачей. Однако при его легировании изоэлектронными примесями типа азота или при одновременном легировании цинком и кислородом в запрещенной зоне формируются примесные центры, через которые осуществляются акты излучательной рекомбинации. Такие светодиоды излучают свет в зеленом и красном диапазонах видимого спектра.

•    Светодиоды на основе гетероструктур GaAsP/GaAs, легированных азотом, излучающие в красном диапазоне спектра. Эти светодиоды обладают низкой эффективностью из-за большого количества дислокаций несоответствия, вызванных несоответствием параметров решеток используемых материалов.

•    Светодиоды красного свечения на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs. В состав активных областей таких светодиодов входят квантовые ямы GaAs.

•    Светодиоды красного свечения с двойными гетероструктурами на основе AlGaAs/AlGaAs. В этих светодиодах применяются активные области AlGaAsи барьерные слои AlGaAs.

•    Светодиоды на основе гетероструктур AlInGaP/GaAsна поглощающих подложках GaAs.

•    Светодиоды на основе гетероструктур AlInGaP/GaPна прозрачных подложках GaP.

•    Светодиоды с кристаллами в виде перевернутых усеченных пирамид на основе AlInGaP/GaPсо световой отдачей более 100 лм/Вт (Kramesetal., 1999).

•    Светодиоды на основе InGaN, излучающие в синем и зеленом диапазонах спектра.

На рис. 12.13 также показана световая отдача обычных источников света: первой лампочки Эдисона (1,4 лм/Вт) и ламп накаливания с красными и желтыми фильтрами. Видно, что современные светодиоды значительно превосходят лампы накаливания с фильтрами.

На рис. 12.14 представлена зависимость светоотдачи сверхъярких и некоторых дешевых светодиодов в зависимости от длины волны излучения (UnitedEpitaxyCorp., 1999). Видно, что светодиоды желтого (590 нм, AlInGaP), оранжевого (605 нм, AlInGaP) и зеленого (525 нм, InGaN) свечения хорошо подходят для устройств с высокой светоотдачей.

Тот факт, что светодиоды на основе AlInGaPтемно-желтого и оранжевого свечения обладают высокой световой отдачей, частично объясняется большой чувствительностью человеческого глаза в этом диапазоне длин волн. В связи с тем, что максимальная чувствительность глаза соответствует длине волны 555 нм, светодиоды, излучающие зеленый свет на этой волне, кажутся ярче светодиодов такой же оптической мощности, но работающих в другом спектральном диапазоне.

Поскольку светодиоды янтарного свечения на основе AlInGaPобладают высокими значениями световой отдачи и недороги в производстве (по сравнению со светодиодами зеленого свечения на основе InGaN), они применяются в устройствах, где требуется высокая яркость и низкая мощность потребления, например в системах освещения дорожных знаков. В 1980-х гг. устройства освещения знаков изготавливали на основе мощных ламп накаливания, питающихся от электрическо-

Рис. 12.14. Световая отдача светодиодов видимого спектра излучения, изготовленных из материалов на основе фосфидов, арсенидов и нитридов — соединений типа (UnitedEpitaxyCorp., 1999, 2000)

 

го генератора, который получал энергию от бензинового двигателя. В настоящее время такие устройства на основе светодиодов янтарного свечения являются энергосберегающими, поскольку к ним электроэнергия поступает от аккумуляторов, заряжающихся днем солнечными батареями.

На рис. 12.13 и рис. 12.14 также показаны маломощные и недорогие светодиоды на основе GaAsPи GaP:N, обладающие сравнительно невысокой световой отдачей. Из-за низкого квантового выхода излучения такие светодиоды не подходят для систем, от которых требуется высокая яркость свечения. Низкий внутренний квантовый выход излучения светодиодов GaAsPобъясняется несоответствием параметров решеток используемых материалов. Светодиоды на основе GaP:Nтакже характеризуются низкой эффективностью. Это связано с природой излучательных переходов, зависящих от концентрации оптически активных примесей азота.

Для многих практически важных случаев, когда требуется большой световой поток, например в устройствах освещения дорожных знаков, светофорах и системах освещения, важным параметром является не только световая отдача, но и полная мощность излучения. Несмотря на то, что высокуто световую мощность легко обеспечить при помощи ламп накаливания, для этих целей йсе чаще начинают применять устройства на основе светодиодов, отличающихся низкой потребляемой мощностью. На рис. 12.15 показана хронология повышения значений светового потока (в люменах), излучаемого одним светодиодом (Kramesetal., 2000). Видно, что за 30 лет эта характеристика увеличилась почти на четыре порядка.

Рис. 12.15. Хронология повышения значений светового потока от одного светодиода и соответствующего снижения стоимости светодиода в пересчете на 1 лм. Для сравнения приведены значения для 60-ваттных ламп накаливания с вольфрамовой нитью со световой отдачей 17 лм/Вт и световым потоком 1000 лм приблизительной стоимостью 1,00 долл. США (Kramesetal., 2000)

 

Для сравнения на рис. 12.15 также приведены данные о световом потоке и приблизительной цене для 60-ваттной лампы накаливания с вольфрамовой нитью, имеющей световую отдачу 17 лм/Вт и световой поток 1000 лм. Сравнение показывает, что если светодиоды смогут занять достойное место на рынке осветительных устройств, будет постоянно повышаться их эффективность при одновременном снижении стоимости. Отметим, что стоимость, указанная на рис. 12.15, соответствует цене лампы, в которую не входит стоимость электричества, потребляемого ею в течение срока службы. Если учитывать стоимость потребляемого электричества, которая для ламп накаливания гораздо выше цены самой лампы, преимущества светодиодов станут еще более очевидными, несмотря на их высокую первоначальную стоимость.

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты