Светодиод. Что это?

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25-30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения.

На основе вышеперечисленных полупроводниковых кристаллов с излучающими p-n переходами создано огромное множество различных светоизлучающих диодов. Конструкция светодиода определяет направление, пространственное распределение, интенсивность излучения, электрические, тепловые, энергетические и другие характеристики излучения от полупроводникового кристалла. И, конечно, взаимное влияние всех этих параметров друг на друга.

В последнее время, светоизлучающие диоды всё больше используются  в освещении, художественной подсветке, ответственной сигнальной технике. Всё это стало возможным благодаря достаточно быстрому росту энергетических показателей, надёжности и долговечности этих квазимонохроматических источников излучения. Малое потребление электрической энергии, лёгкость формирования диаграммы направленности с помощью различной оптики, простота управления и самое важное – специфическое восприятие излучения глазом делают светодиоды незаменимыми для создания полноцветных экранов, вывесок и других средств представления информации в виде динамического изображения.

Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа InGaN/AlGaN/GaN на подложке из Al2O3.
Показана активная область (область p-n – перехода) и расположение омических контактов. 

Технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей.

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р области.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 - 12 подложках диаметром 50 - 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n и р слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD технологии (surface montage details - поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.
Светодиоды, выполненные по SMD и СОВ технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.
Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого контактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.

Цвет светодиода зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Существует три способа получения белого света от светодиодов.

1.    Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

2.    Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

3.    Третий способ - желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.
Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО.

Недостатки же таковы:

1.    во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора;

2.    во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру;

3.    в-третьих  люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

Яркость светодиодов.

Чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени, тем ярче светиться светодиод. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n перехода диод перегреется и выйдет из строя. Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.
Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

Температура.

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки.

Поэтому так важен хороший теплоотвод. Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.