Светодиоды

Полупроводниковые светоизлучающие приборы – светодиоды – называют источниками света будущего. Достигнутые характеристики светодиодов (для белых светодиодов световая отдача до 25 лм/Вт при мощности прибора до 5Вт, Ra=80-85, срок службы 100.000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике. Светодиодные источники света стоят на пороге вторжения на рынок общего освещения и в театральную практику. Уже существуют светодиодные приборы, позволяющие регулировать световой поток по сигналу DMX512, что даёт возможность их подключения напрямую к световому пульту, не используя диммер (как для галогенных источников) или механический темнитель (как для разрядных источников).

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (в английском варианте LED – light emitting diodes), хорошо известны каждому как миниатюрные индикаторы (обычно красного или зелёного цвета), применяемые в аудио и видеоаппаратуре и в бытовой технике. Прежде всего, светодиод – это полупроводниковый диод, то есть по сути дела p-n-переход. Напомним, что p-n-переход – это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий собой соединённые вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов – «n-тип», второй с избытком дырок – «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к р-части, то через него потечёт ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов.

Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещённый p-n переход пошёл ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда – электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решётки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона. В случае безизлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация. Впервые это явление в далёкие 20-е годы исследовал О.В. Лосев, наблюдавший свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто
«побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для светодиодов же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы.

Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США). Помимо них в 60-е годы были созданы светодиоды из GаP с красным и жёлто-зелёным свечением. Внешний квантовый выход (отношение числа излучённых светодиодом фотонов к общему числу перенесённых через p-n-переход элементарных зарядов) был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм – области наивысшей чувствительности человеческого глаза, - поэтому яркость их жёлто-зелёного излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1-2 лм/Вт.

Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям – увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу советских учёных, в частности Ж.И. Алфёрова с сотрудниками, ещё в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход за счёт ограничения активной области рекомбинации. Использовались гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход за счёт ограничения активной области рекомбинации. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15% для красной части спектра (световая отдача до 10лм/Вт) и более 30% - для инфракрасной. Показателен факт присуждения Жоресу Ивановичу Алфёрову Нобелевской премии в 2000 году, когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники.

Исследования других гетероструктур привели к созданию эффективных светодиодов, излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды на основе фосфидов алюминия-галлия-индия (разработка компании Hewlett Packard) излучали красно-оранжевый, жёлтый и жёлто-зелёный свет. Они имели световую отдачу до 30 лм/Вт (и внешний квантовый выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что, в отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20-50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определённой длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют «квазимонохроматическим». Как источники «цветного» света, светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon американской компании Lumileds обеспечивают 50 лм/Вт для красной и даже 65 лм/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд – для жёлто-оранжевых светодиодов планка 100 лм/Вт уже взята.

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Эту проблему решил несколько лет назад Ш. Накамура из компании Nichia Chemical с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия-галлия InGaN. В сине-зелёной области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20% и вплотную приблизиться по эффективности к люминисцентным лампам (световая отдача 60-80 лм/Вт).

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг»: теперь стало возможным получение любого цвета, в том числе любого оттенка белого цвета простым смешением цветов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трёхкристальные светодиоды, объединиющие кристаллы красного, синего и зелёного свечения в одном корпусе. Если синий светодиод покрыть специальным жёлтым люминофором, мы получим белый свет. Белые светодиоды намного дешевле трёхкристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по световой отдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания 9»мировые рекорды» яркости, мощности и эффективности, похоже начали сыпаться, как из рога изобилия; на последней Lightfair-2002 Lumileds Lighting показала Luxeon мощностью 5 Вт с потоком 120 лм). Ещё один метод – возбуждение трёхслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра по аналогии с кинескопом цветного телевизора (УФ-светодиод в данном случае «заменяет» электронную пушку кинескопа).

Кристалл светодиода – практически точечный источник света, поэтому корпус может быть очень миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечивать минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод тепла от кристалла. Самая распространённая конструкция светодиода – традиционный 5-миллиметровый корпус. Конечно, это не единственный вариант «упаковки» кристалла. Например, для сверхъярких светодиодов, рассчитанных на большие токи, требуется массивный теплоотвод.

К преимуществам светодиода,, кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, светодиоды обладают целым рядом других замечательных свойств. Отсутствие нити накаливания благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает фантастический срок службы. Производители светодиодов декларирует срок службы до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы, - срок, сравнимый с жизненным циклом многих осветительных установок. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надёжность. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантирует высокий уровень безопасности, а безинерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие (например, для стоп-сигналов).

Сверхминиатюрность и встроенное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются компактными, плоскими и удобными в установке.

В качестве светотехнической характеристики обычно в справочных данных указывается осевая сила света Io светодиода в милликанделлах для заданного значения прямого тока Jnp. Для современных сверхъярких светодиодов значение Io колеблется в пределах 200-5000 мКд (здесь идёт речь о стандартных 5-миллиметровых светодиодах, для приборов большего размера прямой ток может измеряться сотнями миллиампер и даже амперами, а сила света – десятками канделл).

Характер светораспределения определяется углом излучения. Естественно, чем меньше угол излучения, тем больше осевая сила света при том же световом потоке. Обычно указываются цвет свечения и длина волны излучения. Цветовая температура и общий индекс цветопередачи весьма актуальны для белых светодиодов, применяемых в целях освещения.

Производители декларируют Ra до 75-85 (хорошая цветопередача). Ещё больших результатов можно добиться, «синтезируя» белый цвет путём смешения нескольких цветов; при этом белые светодиоды могут использоваться совместно с «цветными».

Наряду со светотехническими характеристиками электрические характеристики светодиодов очень важны по двум причинам. Во-первых, светодиод должен работать в правильном режиме, чтобы полностью реализовать свой ресурс; во-вторых, яркостью светодиодов можно легко управлять, а если применять смешение цветов, таким же лёгким становится управление цветом прибора, в состав которого входят светодиоды разных цветов.

Полную информацию о поведении светодиода даёт его вольтамперная характеристика (ВАХ), повторяющая по форме ВАХ обычного кремниевого диода. В случае обратного включения светодиода через него протекает малый ток утечки Iобр, светодиод при этом не излучает света. Обратное напряжение, приложенное к светодиоду, не должно превышать предельно допустимого обратного напряжения Uобр, иначе возможен пробой p-n перехода. Очень важно, чтобы ток, протекающий через светодиод, не превышал предельно допустимый прямой ток, в противном случае светодиод выйдет из строя. Току Iпр соответствует прямое напряжение Uпр.

Светодиоды допускается «запитывать» в импульсном режиме, при этом импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импульсов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – метод, очень распространённый в современной электронике. Это позволяет создавать контроллеры с возможностью плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колор-чейнджеры).

(печатается по изданию: Д.Г.Исмаилов, Е.П.Древалёва "Театральное освещение", Москва ЗАО "ДОКА Медиа", 2005)