Создание белого света при помощи двухцветных источников

October 22, 2011 by admin Комментировать »

Белый свет можно получить несколькими способами. Один из них заключается в смешении излучения двух источников, обладающих узкими спектральными линиями, называемыми комплементарными длинами волн или дополнительными цветами. Два дополнительных цвета, смешанных в определенной пропорции, воспринимаются человеческим глазом как белый цвет. На рис. 20.2 представлены длины волн комплементарных цветов.

Рис. 20.2. Длины волн комплементарных монохроматических источников, воспринимаемых человеческим глазом при смешении в определенном соотношении как белый свет (Wyszecki, Stiles, 1982)

 

В табл. 20.1 приведены значения монохроматических комплементарных длин волн. Там же даны соотношения интенсивностей излучений, требуемых для получения излучения, координаты цветности которого совпадают с координатами стандартного источника света Des. Координаты цветности осветителя Des: xd^s= 0,3138, j/Oes= 0,3310 (Wyszecki, Stiles, 1982)

Теперь проанализируем световую эффективность источника с двумя комплементарными спектральными линиями. Считаем, что из-за теплового расширения энергетическая ширина линий АЕ равна их полной ширине на половине интенсивности излучения. Экспериментально было установлено, что в твердом растворе InGaNпри комнатной температуре энергетическая ширина спектральной линии АЕ составляет 2-10 кТ (при 300 К кТ — 25,9 мэВ). Предполагается, что обе линии излучения характеризуются нормальным распределением {распределением Гаусса), поэтому спектральную плотность мощности результирующего излучения можно описать уравнением ‘)

‘) Реальные спектры излучения светодиодов на основе InGaNзаметно отличаются от распределения Гаусса [4, 5].

 

Таблица 20.1. Длины волн монохроматических комплементарных цветов, смешение которых дает свет стандартного источника МКО Des, воспринимаемый стандартным наблюдателем МКО 1931

 

Комплементарные длины волн, нм

Отношение интенсивностей излучений

al

л2

р(а2)/р(а,)

380

560,9

0,000642

390

560,9

0,00955

400

561,1

0,0785

410

561,3

0,356

420

561,7

0,891

430

562,2

1,42

440

562,9

1,79

450

564,0

1,79

 

Комплементарные длины волн, нм

Отношение интенсивностей излучений

л,

аг

р(а2)/р(а,)

460

565,9

1,53

470

570,4

1,09

475

575,5

0,812

480

584,6

0,562

482

591,1

0,482

484

602,1

0,440

485

611,3

0,457

486

629,6

0,668

 

гдеPiи Р2 — оптические мощности двух линий излучения, Aiи А2 — длины волн пиков излучения. Стандартное отклонение а определяется относительно полной ширины линии на половине интенсивности спектра излучения АЛ:

Длины волн максимумов излучения Aiи Л2 выбираются из табл. 20.1. Из нее же находят требуемое отношение мощностей двух источников света. Хотя приведенные значения соответствуют строго монохроматическим источникам (АЛ —» 0), эти данные можно использовать в качестве хорошего приближения для источников с умеренной шириной спектральных линий, к которым относятся светодиоды.

На рис. 20.3 показана световая эффективность излучения двухцветного источника. Видно, что максимальная световая эффективность 440 лм/Вт соответствует длине волны первого источника Ai= 445 нм при АЕ = 2кТ. Высокие значения световой эффективности излучения таких приборов указывают на их огромный потенциал.

В работах (Guoetal., 1999; Sheuetal., 2002; Dalmassoetal., 2002; Lietal., 2003) описаны источники белого света, реализованные на принципе смешения двух комплементарных цветов. Один из них был построен на основе двух светодиодов, которые излучали свет на длинах волн голубой и желтой областях спектра. В другом источнике, представленном Гуо, для получения белого света использовался светодиод синего свечения на основе GaN, работающий в паре с полупроводниковым преобразователем длин волн AlInGaP. Шу реализовал

Рис. 20.3. Расчетные зависимости световой эффективности излучения двухцветного источника белого света (с координатами цветности, соответствующими положению на цветовой диаграмме стандартного излучателя Des) от длины волны первого источника для линий разной энергетической ширины. Приведены значения комплементарных длин волн второго источника (Lietal., 2003)

 

светодиод белого свечения с активной областью в виде одной квантовой ямы, легированной примесями двух типов —цинком и кремнием. В таком светодиоде излучение синего цвета формируется в квантовой яме вследствие межзонных переходов, в то время как желтоватое излучение возникает из-за переходов между донорными и акцепторными уровнями (D-A-переходы). Поскольку D-A-переходам соответствуют широкие спектральные линии, эти светодиоды отличаются хорошей цветопередачей. Далмассо продемонстрировал двухцветный светодиод, состоящий из двух близко расположенных активных областей InGaNвнутри р-п-перехода. В нем наблюдается сильная зависимость спектра излучения от тока инжекции.

Ли и др. (Lietal., 2003) сообщили о создании светодиода на основе InGaNс двумя активными областями, разделенными тонким слоем GaN. Расчетные длины волн излучения данного светодиода равны 465 нм и 525 нм, его структура показана на рис. 20.4.

На рис. 20.5, а показан спектр фотолюминесценции двухцветного светодиода. На спектре выделяются две области излучения, центру одной из которых соответствует длина волны, приблизительно равная 465 нм, а центр другой приходится на длину волны 525 нм. При изменении плотности возбуждения положения двух пиков остаются неизменными. Однако при изменении плотности мощности лазерного возбуждения меняется отношение интенсивностей излучения двух пиков, что может быть объяснено конкуренцией двух каналов реком-

Рис. 20.4. Структура двухцветного светодиода с двумя активными областями

(Li et al., 2003)

 

бинации(Li et al., 2003). Если пренебречь безызлучательной рекомбинацией, можно считать, что для электрона, находящегося в «синей» квантовой яме, существует только два выхода: либо совершить прямой межзонный излучательный переход в пределах этой же ямы, либо за счет туннельного эффекта переместиться в «зеленую» квантовую яму и уже там совершить акт излучательной рекомбинации. Электроны и дырки имеют возможность туннелировать из «синей» квантовой ямы в «зеленую» и взаимодействовать там с испусканием фотонов. Однако из-за более высоких энергий в «синей» квантовой яме носители, попав в «зеленую» квантовую яму, не могут туннелировать обратно в синию.

Рис. 20.5. Спектры фотолюминесценции (а) и электролюминесценции (б) двухцветного светодиода с двумя активными областями (Lietal., 2003)

 

На рис. 20.5,6 представлены спектры электролюминесценции рассматриваемого светодиода. В них отчетливо различимы два пика излучения с максимумами на длинах волн 450 нм и 520 нм. Пик синего излучения значительно интенсивнее пика зеленого излучения, что

может быть связано с более высоким квантовым выходом в «синей» квантовой яме по сравнению с «зеленой». К тому же дырки инжектируются из области с более высокой энергией (со стороны «синей» квантовой ямы), в то время как электроны инжектируются со стороны «зеленой» квантовой ямы. Поскольку дырки обладают более низкой подвижностью и большей эффективной массой, у них меньше шансов добраться до «зеленой» квантовой ямы, что также объясняет более высокую интенсивность синего излучения.

В случае электролюминесценции дырки инжектируются в область «синих» квантовых ям, а электроны —в область «зеленых». Этот способ сильно отличается от случая оптического возбуждения, когда оба типа носителей инжектируются с двух сторон активной области. Для рассматриваемой здесь структуры длина оптического поглощения больше расстояния между активными областями и поверхностью. Именно это может объяснить отмеченные различия между фотолюминесценцией и электролюминесценцией (Lietal., 2003).

На вольтамперных характеристиках светодиодов с двойной активной областью, снятых при комнатной температуре, напряжение прямого смещения составляет менее 3,0 В, что при малых диаметрах контактов, ~ 100 мкм, свидетельствует о высоком качестве омических контактов. Увеличение напряжения прямого смещения при использовании контактов большего диаметра связано с ростом падения напряжения в буферном слое п-типа. Это объясняется тем, что при заданной плотности тока его величина в буферном слое пропорциональна площади контакта А, а величина избыточного сопротивления буферного слоя п-типа пропорциональна                                                    В дополнение к этому эффект шнурования

тока, особенно существенный в случае контактов большого диаметра, приводит к неравномерному растеканию инжекционного тока, что тоже вызывает рост напряжения прямого смещения.

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