Цвет и материалы светодиодов

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

Цвет и материалы свето излучающих диодов (СИД) определяют сферу их применения - от индикаторных целей до источников освещения. Цвет и спектр излучения светодиодных (СИД) излучателей определяется физическими параметрами P/N перехода используемых полупроводниковых материалов.

Материалы[править]

Длина волны излучаемого света зависит главным образом от ширины запрещённой энергетической зоны P/N перехода, при этом имеет силу следующая зависимость:

λ=hc/E

где:

λ - длина волны, мкм
E - ширина запрещённой зоны, эВ
hc = 1,2398
1 эВ = 1,60218∙10‾19 Дж

Например у арсенид-галиевых (GaAs) светодиодов величина Е составляет 1,43 эВ, поэтому длина волны λ равна 0,87 мкм (при комнатной температуре). Соответствующая длина волны λ для диодов на основе фосфида индия (InP), имеющего Е = 1,35 эВ, составляет 0,92 мкм (при комнатной температуре). Спектральная ширина полосы излучения светодиода Δλ приблизительно пропорциональна квадрату длины волны λ. Поэтому она сильно увеличивается в области более длинных волн.

В таблице показаны цвета, диапазон длин волн, падение напряжения и состав материала:

Таблица цветов, материалов светодиодов и их характеристик
Цвет Длина волны (нанометры) Напряжение (V) Материал полупроводника
Инфракрасный λ > 760 ΔV < 1.9 Арсенид галлия (GaAs)
Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Красный цвет 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 en:Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (Промежуток)
Оранжевый цвет 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 en:Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (Промежуток)
Жёлтый цвет 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 en:Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (Промежуток)
Зелёный цвет 500 < λ < 570 1.9[1] < ΔV < 4.0 Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN)
Фосфид галлия (en:Gallium(III) phosphide) (Промежуток)
en:Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)
Aluminium gallium phosphide (Промежуток)
Синий цвет 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 Селенид цинка (ZnSe)
en:Indium gallium nitride (InGaN)
Silicon carbide (SiC) (Так) как основание
Silicon (Si) как основание — (при развитии)
Фиолетовый цвет 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 en:Indium gallium nitride (InGaN)
Фиолетовый цвет разновидности 2.48 < ΔV < 3.7 Двойной синий/красный СИД,

синий с красным люминофором,

Ультрафиолетовое излучение λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 Diamond (235 nm)[2]
Boron nitride (215 nm)[3][4]
Нитрид алюминия (Aluminium nitride) (AlN) (210 nm)[5]
en:Aluminium gallium nitride (AlGaN)
Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) — (down to 210 nm)[6]
Белый цвет Broad spectrum ΔV = 3.5 Синий СИД с желтым люминофором  
Белый цвет Broad spectrum ΔV = 4.4 Ультрафиолетовый СИД с белым люминофором  

Ультрафиолетовые и синие светодиоды[править]

Синие светодиоды.

Светодиоды c широкой запрещённой зоной обычно создают на основе GaN (нитрид галлия), и InGaN (нитрид галлия-индия).

Первые синие свето излучающие диоды (СИД) были созданы в 1971 Жаком Панковым в лаборатории RCA. Изначально эти устройства имели слишком небольшую фотоотдачу, чтобы найти большое практическое применение. Однако, в настоящий момент светодиоды быстро нашли применение например в качестве яркого источника излучения в индикаторных панелях различных приборов например в автомобилях [7],[8],[9]

В конце 1980-ых, были достигнуты ключевые крупные достижения в технологии эпитаксиального роста материала нитрида галия GaN с легированием p-типа, описанные в «современная эра оптоэлектронных устройств на базе GaN». Используя эти наработки, в 1993 были продемонстрированы синие светодиоды (СИД) высокой яркости.

К концу 1990-ых, синие светодиоды СИД стали широко доступным.

Зеленые СИД, изготовленные на базе системы InGaN-GaN, намного более эффективны и более ярки, чем зеленые СИД, произведенные из других полупроводниковых систем.

С полупроводниковыми системами, содержащими алюминий, чаще всего это AlGaN и AlGaInN, возможно достичь излучения еще более коротких длин волн. Уже сейчас на рынке становятся доступными ультрафиолетовые СИД, излучающие свет в диапазоне коротких длин волн. Почти все ультрафиолетовые СИД работающие в диапазоне длин волн ~ 375-395 нм уже дёшевы в производстве и часто применяются, например, для заменены лампы невидимого (УФ) излучения, для проверки подлинности денежных знаков и документов в УФ лучах. Светоизлучающие диоды с излучением в области более коротких длин волн, пока более дороги. Однако и их производство возможно вплоть до для длин волн 247 нм. [10] Поскольку фоточувствительность микроорганизмов приблизительно соответствует спектру поглощения ДНК, с пиком приблизительно в 260 нм, ультрафиолетовое (невидимое) излучение в области 250–270 нм может использоваться в приборах для дезинфекции и устройствах для стерилизации помещений и инструментов. Недавнее исследование показало, что коммерчески доступные ультрафиолетовые СИД (365 нм) - уже применяются как более эффективное средство при дезинфекции и для устройств стерилизации инструментов.[11]

Светодиоды для получения дальнего УФ-излучения были созданы в лабораториях, с использованием нитрида алюминия (210 нм),[12] нитрид бора (215 нм)[13][14] и алмаза (235 нм)[15].

Белый цвет[править]

Есть три основных способа получить интенсивный белый свет при использовании светодиодных излучателей СИД:

Первый способ заключается в использовании трёх светодиодных излучателей, каждый из которых должен излучать индивидуально один из трёх так называемых основных цветов (RGB)[16] — красный, зеленый, и синий — при одновременном восприятии этих цветов при определённых интенсивностях (Аддитивный синтез цвета) возможно получить ощущение белого света. Здесь используется эффект метамерии, при котором возможно подобрать различные наборы спектров, которые будут ощущаться нами как белый свет.

Другой способ также использует эффект метамерии. Он основан на использовании люминесцентного материала для того, чтобы к основному излучению синего светодиода добавить преобразованный люминофором жёлтый цвет в такой пропорции, чтобы глаз воспринимал их в виде белого цвета.

Ещё один способ основан также на использовании люминесцентного материала, но для того, чтобы полностью преобразовать монохроматический ультрафиолетовый свет УФ к широкому спектру воспринимаемому, как белый свет. Таким же образом работает например флуоресцентная лампа. В настоящее время этот принцип конструирования белых светодиодных излучателей - основной.

RGB системы[править]

Спектральные характеристики для синего, зеленого, и красного полупроводниковых твердотельных светоизлучающих диодов высокой яркости. Спектральная ширина полосы излучения - приблизительно 24-27 нанометров для каждого из трех цветов.

Белый свет может быть произведен путём одновременного излучения нескольких СИД: — красного, зеленого и синего. Этот метод некоторые называют, разноцветный белый СИД (иногда называют RGB СИД). Его механизм связан с свойством нашего зрения воспринимать одновременное излучение нескольких различных цветов как белый цвет, но этот подход редко используется для производства белых излучателей. Однако он может быть интересен в других приложениях из-за гибкости при необходимости получать ощущения различных цветов,[17] кроме того, этот метод имеет более высокую квантовую эффективность при эмиссии белого света.

Существуют несколько типов белых СИД: двух, трёх, и четырёх цветные.

СИД с преобразованием спектра люминофором[править]

Спектр "белого" излучателя использующего первичное излучение (синий цвет), которое непосредственно испускается переходом созданным на базе GaN (пик приблизительно в 465 нм) и преобразуется люминофором, в вторичное излучение с длинами волн в области примерно 500-700 нм.

Этот метод заключается в использовании покрытия светодиодного излучателя (главным образом излучающего в синей области, сделанного из InGaN) люминофорами различных цветов для того, чтобы получить ощущение белого света; полученный таким образом светоизлучающий диод называют белым светоизлучающим диодом на основе люминофора.[18] Излучение синего цвета подвергается «преобразованию» с помощью люминофора и при этом возможно преобразовать излучение кристалла светодиода с коротковолнового, в более длинноволновый диапазон. В зависимости от цвета излучателя исходного кристалла, использование различных люминофоров позволяет получать различные цвета свечения. Если используются несколько люминесцентных слоев отличающихся цветов, то испускаемый спектр расширяется, эффективно изменяя цвет, при высоком показателе эффективности излучателя.[19]

При использовании люминофоров, СИД имеют более низкую эффективность, чем классические СИД, из-за высокой потери отдачи при преобразовании, а также в связи с другими потерями связанными с возникающей проблемой деградации люминофоров. Однако, люминесцентный метод - не самая популярная технология для получения светодиодных излучателей с высокой интенсивностью белого света. Проектирование и производство источника света для широкого применения, используя одноцветный излучатель с люминесцентным преобразованием, более просто и более дешево, чем сложная система состоящая например из двух или трёх излучателей на разных длинах волн вызывающих при совместной работе ощущение белого света. Большинство чипов сверхярких излучателей на рынке, например белых СИД, теперь изготовлены, с использованием люминофоров, преобразовывающих основную полосу УФ излучателя в видимый свет.

Самая большая сложность на пути к высокой эффективности, по-видимому, обусловлено снижением потребляемой энергии. Большие усилия тратятся на оптимизацию этих устройств, чтобы обеспечить максимальную яркость при более высоких температурных режимах. Например, эффективность может быть увеличена, при использовании более эффективного излучателя или матрицы излучателей, или при использовании более подходящего типа люминофора. Патентованный конформный процесс покрытия Филипса Ламиледса обращается к проблеме переменной толщины люминофоров, излучая белым СИД более гомогенный белый цвет.[20] Продолжающееся развитие базируется на увеличении эффективности люминофора, и СИД, вообще и расширяется с появлением каждого нового продукта.

Белый СИД может быть также получен покрытием кристалла, свето излучающего диода с диапазоном ультрафиолетового излучения (УФ), плёнкой со смесью высокоэффективных люминофоров красно-синего света, полученных на основе «европия phosphors», добавляя излучение зелёного цвета легированием сульфида цинка медью и алюминием (ZnS:Cu, Ал). Этот метод, аналогичен работе флуоресцентных ламп. Он менее эффективен, чем метод преобразования синего цвета излучателя с люминофором YAG:Ce, поскольку является объёмным и требует больше энергии. Преобразования способствуют нагреву, но при этом удаётся получать при отдаче цвета с лучшими спектральными особенностями. Из-за более высокой энергии излучаемой ультрафиолетовыми СИД по сравнению с синими LEDами, оба подхода предлагают сопоставимую яркость. Однако существует проблема заключающаяся в том, что ультрафиолетовое излучение может проходить от излучающего чипа через внешние покрытия светодиодного источника света и тем самым может представлять опасность (или даже нанести вред) глазам или коже.

Органические светоизлучающие диоды (OLEDs)[править]

Если светоизлучающий диод создан на базе органических материалов, то такой излучатель известен как светоизлучающий диод на базе органических соединений (OLED). Чтобы функционировать как полупроводник, органический материал излучателя должен иметь характеристики полупроводника. [21] Материалом такого излучателя могут быть органические молекулы или полимеры. Материалы из полимера могут быть гибкими; такие OLEDs известны как PLEDs или FLEDs.

По сравнению с стандартными неорганическими СИД, OLEDs легче, а материал для их изготовления может ещё иметь и специальные характеристики, для того чтобы обеспечить например гибкость светоизлучающей панели. Предполагается, что в будущем OLEDs будут: недорогими, гибкими устройствами для использования в дисплеях, источниках света и как элементы художественного оформления.

OLEDs используются в производстве дисплеев для портативных электронных устройств, типа сотовых телефонов, цифровых камер, и MP3-плееров. Демонстрировались также и большие дисплеи,[22] но их продолжительность работы все еще слишком мала (<1 000 часов) для того, чтобы стать широко применимыми в практических целях.

Сегодня, OLEDs работают с существенно более низкой эффективностью, чем неорганический СИД.[23]

Квантовый точечный (экспериментальный) СИД[править]

Квантовые точки — свечение в нанокристаллах полупроводника при пропускании через них тока, обладающие уникальными оптическими свойствами.[24]Цвет их эмиссии может варьировать во всём спектре видимого света включая инфракрасный участок.

В сентябре 2009 Группа Nanoco объявила, что подписала объединенное соглашение развития с одной из ведущих японских компанией электроники, при содействии которой она будет разрабатывать свето излучающие диоды СИД созданные на базе излучающих квантовых точек. Предполагается, что они могут найти применение при создании нового поколения плоских экранов.[25]

Внешний вид дискретных светодиодных излучателей[править]

Многообразие размеров, форм и цветов светодиодных излучателей

Миниатюрные СИД[править]

Фото светоизлучающих диодов СИД, размещённых для наглядности рядом со спичкой, с внешними диаметрами 8 мм., 5 мм. и 3 мм.

Миниатюрные светоизлучающие диоды являются главным образом дискретными СИД, которые восновном используются как индикаторы, они имеют различные размеры с диаметром корпуса от 2 мм до 8 мм, изготавливаются в виде отдельных корпусных приборов или в виде чипов приспособленных для поверхностного монтажа. Они обычно просты в использовании и не требуют отдельного охлаждения.[26] Типичные токи потребления соответствуют от 1 миллиампера до 20 миллиампер. При этом несмотря на небольшие размеры приборов их поверхность более чем достаточна для естественного охлаждения излучающего перехода и не нуждается в дополнительном теплоотводе.

СИД Средней мощности[править]

СИД средней мощности используются, когда необходима световая отдача на уровне нескольких люменов. Их иногда изготавливают в виде устройства состоящего из четырёх кристаллов, которое использует (два катода и два анода) с улучшенным отводом температуры от кристаллов, и имеет интегрированную полимерную линзу. Например светодиодные излучатели компании Philips Lumileds. Эти СИД обычно используются как аварийное освещение например при пожаре и в автомобильных задних фарах. Они в состоянии работать с более высокими токами (приблизительно до 100 миллиампер). Более высокий ток подразумевает и более высокую световую отдачу, требуемую для задних автомобильных фар и аварийного пожарного освещения.

Мощные СИД[править]

Высокомощные излучатели СИД от Philips, Lumileds, которые применяются как элементы освещения, устанавливают на печатную плату в форме звезды диаметром 21 мм.

Высокомощные излучатели СИД от Philips, Lumileds, которые применяются как элементы освещения, устанавливают на печатную плату в форме звезды диаметром 21 мм. Мощные СИД (HPLED) могут работать при режимах с силой тока в цепи от сотен миллиампер до Ампера и больше, по сравнению с десятками миллиампер для обычных СИД. Некоторые излучатели могут достигать яркости более чем тысячи [27],[28] люмен. Так как перегрев является разрушительным фактором для чипа, HPLEDs должен быть установлен на теплоотводящей основе, переносящей тепловое излучение от чипа к внешнему радиатору. Если высокое тепловое излучение HPLED не будет отведено, то устройство может быть сожжено за секунды. Единственный чип HPLED часто может заменять лампу накаливания в прожекторе, или может быть собран в виде матрицы чипов, формирующих мощный излучающий источник света.

Некоторые известные HPLEDs в этой категории — «Излучающий диод Lumileds, Osram Opto Полупроводниковый Золотой Дракон и X-лампа Cree». На сентябрь 2009 эффективность некоторых HPLEDs, изготовленных Cree Inc, теперь превышает 105 lm/W [29] (например XP-г XLamp светоизлучающий чип, испускающий холодный (характеристика цветовой температуры) белый свет), применяющийся в лампах, предназначенных, для замены ламп накаливания, галогенных, и даже флуоресцентных источников света, поскольку LEDs становятся всё более конкурентоспособными.

СИД используемые для индикаторных панелей[править]

Калькулятор с дисплеем выполненным на светодиодных семисегментных индикаторах, 1970-ые годы.

Для сокращения числа выводов у многоразрядных светодиодных матриц их объединяют в одном корпусе и соединяют между собой равнозначные сегменты в каждом разряде. Количество выводов при этом сокращается до семи, плюс количество анодов (катодов) по одному на каждый разряд. При этом при отображении многоразрядного числа, на общие выводы подают поочерёдно коды каждого из отображаемых разрядов, при этом питание (в этот момент) подводится только к аноду (катоду) того разряда, код которого подан в данный момент на общую шину. Такой способ отображения называется динамической индикацией. При этом, используя специфику нашего зрения мы видим одновременное отображение всех разрядов индикатора.

Цветные СИД — фактически два различных СИД размещённых в одном случае. Они состоят из двух светоизлучающих диодов, и в нормальном состоянии подключены встречно, последовательно друг другу. Протекающий в одну сторону ток вызывает работу только одного из светоизлучающих диодов и вызывает излучение только одного цвета. Ток пропущенный в другом направлении вызывает излучение другого цвета. Чередование направления тока в устройстве в двух направлениях с достаточной частотой вызывает появление смешанного третьего цвета. Например, поочерёдное быстрое чередование красного/зеленого, излучения произведёт ощущение желтого цвета.

Трёхцветные СИД по сути являются теми же двумя СИД размещёнными в одном корпусе, при этом эти два СИД связаны так, чтобы они могли работать как одновременно, так и по отдельности. При этом этими двумя СИД можно управлять независимо и получать ощущения различного цвета. Например красный и зелёный излучатели при одновременной работе вызывают ощущение жёлтого цвета. Изменяя режимы обоих светодиодов можно получить ощущение цвета с любым оттенком от красного до зелёного цветов.

RGB СИД содержат красные, зеленые и синие эмитенты, используют для управления всего четыре отвода, при этом один из отводов является общим для всех. Эти СИД могут иметь, или общее Анод или общий Катод.

Алфавитно-цифровые излучатели обычно изготавливают в формате «starburst» в виде семисегментных светодиодных матриц. Семисегментные излучатели могут отобразить все числа и ограниченный набор знаков. Семисегментные светодиодные матрицы для экранов, ранее были широко распространенными и использовались восновном в 1970-ых и 1980-ых годах, но в дальнейшем, в связи с увеличением использования жидкокристаллических мониторов (с их более низким расходом энергии и большими возможностями при индикации), их популярность резко уменьшилась.

См. также[править]

Ссылки[править]

  1. OSRAM: green LED
  2. (2001) "Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction". Science 292 (5523): 1899. DOI:10.1126/science.1060258. PMID 11397942.
  3. (2007) "Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure". Science 317 (5840): 932. DOI:10.1126/science.1144216. PMID 17702939.
  4. (2004) "Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal". Nature Materials 3 (6): 404. DOI:10.1038/nmat1134. PMID 15156198.
  5. (2006) "An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres". Nature 441 (7091): 325. DOI:10.1038/nature04760. PMID 16710416.
  6. LEDs move into the ultraviolet, physicsworld.com, May 17, 2006. Проверено 2007-08-13.
  7. 1981 VW Rabbit Owner's manual. Page 52. Volkswagen of America. 1980.
  8. "GaN-based blue light emitting device development by Akasaki and Amano" (PDF). Takeda Award 2002 Achievement Facts Sheet. The Takeda Foundation. 2002-04-05. http://www.takeda-foundation.jp/en/award/takeda/2002/fact/pdf/fact01.pdf. Retrieved 2007-11-28.
  9. U.S. Patent 5,578,839 "Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device" Nakamura et al., Issue date: November 26, 1996
  10. Sensor Electronic Technology, Inc.: Nitride Products Manufacturer
  11. Mori, Mirei; Hamamoto, Akiko; Takahashi, Akira; Nakano, Masayuki; Wakikawa, Noriko; Tachibana, Satoko; Ikehara, Toshitaka; Nakaya, Yutaka et al. (2007). "Development of a new water sterilization device with a 365 nm UV-LED". Medical & Biological Engineering & Computing 45: 1237. doi:10.1007/s11517-007-0263-1.
  12. Taniyasu, Yoshitaka; Kasu, Makoto; Makimoto, Toshiki (2006). "An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres". Nature 441 (7091): 325. doi:10.1038/nature04760. PMID 16710416.
  13. Kubota, Y.; Watanabe, K.; Tsuda, O.; Taniguchi, T. (2007). "Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure". Science 317 (5840): 932. doi:10.1126/science.1144216. PMID 17702939
  14. Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Kanda, Hisao (2004). "Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal". Nature Materials 3 (6): 404. doi:10.1038/nmat1134. PMID 15156198.
  15. Koizumi, S.; Watanabe, K; Hasegawa, M; Kanda, H (2001). "Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction". Science 292 (5523): 1899. doi:10.1126/science.1060258. PMID 11397942
  16. J. H. Wold and A. Valberg (2000). "The derivation of XYZ tristimulus spaces: A comparison of two alternative methods". Color Research & Application 26 (S1): S222. doi:10.1002/1520-6378(2001)26:1+<::AID-COL47>3.0.CO;2-4.
  17. Ivan Moreno, Ulises Contreras (2007). "Color distribution from multicolor LED arrays". Optics Express 15 (6): 3607. doi:10.1364/OE.15.003607. PMID 19532605.
  18. Tanabe, S. and Fujita, S. and Yoshihara, S. and Sakamoto, A. and Yamamoto, S.. "YAG glass-ceramic phosphor for white LED (II): luminescence characteristics". Proc. of SPIE Vo 5941: 594112--1.
  19. Ohno, Y.. "Color rendering and luminous efficacy of white LED spectra". Proc. of SPIE Vol 5530: 89.
  20. WO patent 2008104936
  21. Burroughes, JH and Bradley, DDC and Brown, AR and Marks, RN and Mackay, K. and Friend, RH and Burns, PL and Holmes, AB, (1990). "Light-emitting diodes based on conjugated polymers,". Nature 347 (6293): 539–541. doi:10.1038/347539a0.
  22. Lawler, Richard (2007-01-08). "Sony's 1,000,000:1 contrast ratio 27-inch OLED HDTV". Engadget. http://www.engadget.com/2007/01/08/sonys-1-000-000-1-contrast-ratio-27-inch-oled-hdtv/. Retrieved 2009-02-15.
  23. "New study says OLED efficiency is less than previously reported". LEDs Magazine (PennWell Corporation). 2008-08-20. http://www.ledsmagazine.com/news/5/8/18. Retrieved 2009-02-15.
  24. Quantum-dot LED may be screen of choice for future electronics Massachusetts Institute of Technology News Office, December 18, 2002
  25. Nanoco Signs Agreement with Major Japanese Electronics Company, 23/09/2009
  26. LED-design
  27. "Luminus Products". Luminus Devices, Inc.. http://www.luminus.com/content1044. Retrieved 2009-10-21
  28. "Luminus Products CST-90 Series Datasheet". Luminus Devices, Inc.. http://www.luminus.com/stuff/contentmgr/files/0/7c8547b3575bcecc577525b80d210ac7/misc/pds_001314_rev_03__cst_90_w_product_datasheet_illumination.pdf. Retrieved 2009-10-25.
  29. "XLamp XP-G LED". Cree, Inc.. http://www.cree.com/products/xlamp_xpg.asp. Retrieved 2009-09-28