Категории

Светодиоды как делают

Светодиоды. Характеристики. Достоинства и недостатки.

Светодиоды – это кристаллы, изготовленные или “выращенные” из химических элементов на основе полупроводников и помещенные в специальный для каждого вида светодиодов корпус

1. Что представляют из себя светодиоды. Принцип действия, обозначения

2. Как изготавливают светодиоды

3. Типы светодиодов

a.) Индикаторные светодиоды

b.) Осветительные светодиоды

4. Характеристики светодиодов

a.) Рабочий ток светодиодов

b.) Напряжение светодиодов

c.) Мощность светодиодов

5. Светодиоды – световые характеристики

6. Цвет светодиодов. Световая температура светодиодов

7. Достоинства и недостатки светодиодов

Что такое светодиоды

Светодиоды – обозначение на схеме

Светодиоды – это приборы, излучающие свет, изготовленные с применением полупроводниковых материалов. Благодаря механизму полупроводимости и сопутствующей ему рекомбинации в месте контакта двух полупроводников с разными типами проводимости светодиоды превращают электрический ток, по ним протекающий, в свет, без дополнительных преобразований.

Термин «рекомбинация» по отношению к физике полупроводников означает исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда с выделением энергии.

Светодиоды обозначаются короткой аббревиатурой буквами кириллицы – СД (светодиод), или СИД (светоизлучающий диод), или же латинскими буквами LED (Light Emitting Diode – с английского «светоизлучающий диод»).

Как делают светодиоды

Светодиоды – это кристаллы, выращенные или нарощённые из химических элементов на основе полупроводников и помещенные в специальный для каждого вида светодиодов корпус. Технологии изготовления светодиодов разнятся в зависимости от вида светодиода. Изготавливают светодиоды с добавлением различных химических элементов – полупроводников, неполупроводниковых металлов и их соединений и легирующих, то есть придающих составу определенные характеристики, примесей.

Процесс изготовления светодиодов выглядит, примерно, следующим образом:

Пластины, служащие в качестве подложки будущих кристаллов светодиодов, помещают в специальную герметичную камеру. Такие пластины изготовлены из удобных для наращивания светодиодов материалов, например, из искусственного сапфира, у которого подходящая для этого кристаллическая решетка. После того, как пластину помещают в герметичную камеру, эту камеру заполняют смесью газообразных химических веществ на основе полупроводников и легирующих добавок. Внутренность такой камеры начинают нагревать. В процессе этого нагрева химические элементы, находящиеся до этого в газообразном состоянии, осаждаются на пластинах.

Процесс длится несколько часов и за это время на подложке наращивается несколько десятков слоев общей толщиной лишь несколько микрон. Отличие в толщине пластины до и после наращивания не различимо на глаз.

Затем с помощью трафарета на пластину напыляются золотые контакты, после чего ее разрезают на мельчайшие части. Каждая такая часть – это отдельный кристалл светодиода со своими контактами. Размеры ее очень малы, и разглядеть ее в деталях можно лишь под микроскопом.

На следующем этапе готовые кристаллы вставляют в корпус и по необходимости покрывают слоем люминофора. Какой именно корпус и какое именно количество кристаллов в него вставят зависит от того, где и как данный светодиод будет использоваться в дальнейшем.

Все светодиоды отличаются друг от друга как отпечатки пальцев – нет двух идентичных по своим характеристикам светодиодов. Поэтому на следующем этапе происходит сортировка светодиодов по двум-трем сотням параметров, для того чтобы отобрать наиболее близкие друг другу по мощности, форме, цветовой температуре и другим характеристикам светодиоды.

Затем светодиоды проверяют на работоспособность на испытательных стендах, а лишь затем из них изготавливают светодиодные лампы, ленты или используют в других сферах применения.

Виды светодиодов

Существует много видов светодиодов. Прежде всего светодиоды разделяются по применению. В основном по применению светодиоды подразделяются на два вида – индикаторные светодиоды и осветительные светодиоды. Еще светодиоды подразделяются по способу монтажа на монтажную плату. Индикаторные и осветительные светодиоды монтируются разными способами.

Индикаторные светодиоды

Индикаторные светодиоды (Нажмите для увеличения)

Индикаторные светодиоды обычно относятся к DIP типу светодиодов (Dual In-line Package) или называется по-другому – DIL (Dual In-Line – англ. двойное размещение в линию). Также этот способ монтажа именуется PHT (Plating Through Holes – англ. через отверстие платы). Катод (-) короткий вывод, анод (+) длинный вывод двухпинового индикаторного светодиода.

К индикаторным можно отнести и светодиоды типа – Super Flux (обычно переводят как сверхяркие),называемые также – пиранья. Это светодиоды различных цветов в квадратном прозрачном корпусе с четырьмя выводами. Используются такие светодиоды в автомобилях, световой рекламе, декоративной подсветке.

Светодиоды “Super Flux” – Пиранья (Нажмите для увеличения)

Индикаторные светодиоды, как понятно из их названия, используются для индикации работы различных приборов и аппаратов. К примеру, огонек на панели телевизора – это работа индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды, излучающие невидимый глазу инфракрасный свет, применяются в пультах дистанционного управления. Также индикаторные светодиоды применяются в автомобилях. светофорах, для подсветки LED мониторов и экранов. Отдельно выделяются OLED (Organic Light Emitting Diode), так называемые органические светодиоды, на основе действия которых осуществляется не просто подсветка жидкокристаллических экранов, а полностью работа OLED мониторов и телевизоров.

Осветительные светодиоды

Для освещения применяют светодиоды, излучающие белый свет. Обычно они подразделяются на излучающие холодный белый, просто белый и теплый белый цвета. Для получения излучения белого света применяется RGB технология (см. Цветовая температура цветодиодов). Пожалуй, это наиболее дешевый и распространенный метод, но при его использовании ухудшается индекс цветопередачи светильников, то есть при таком освещении изменяются для зрительного восприятия цвета освещаемых предметов.

Другой метод получения белого света заключается в том, что светодиод, излучающий невидимый глазу ультрафиолет, покрывается тремя видами люминофора, излучающими при их возбуждении голубой, зеленый и красный цвета. При смешении этих цветов опять-таки получается излучение белого света.

В третьем варианте на голубой светодиод наносят два вида люминофора, излучающих желтый и зеленый или красный и зеленый цвета, в результате чего и получают белый свет.Во втором и в третьем вариантах получается этакая модификация люминесцентной лампы.

SMD светодиоды (Нажмите для увеличения)

По способу монтажа осветительные светодиоды бывают SMD типа (Surface Mounted Device – англ. прибор. монтируемый на поверхность).

SMD светодиод состоит из подложки. которая может играть роль теплоотвода, если изготавливается из соответствующих материалов, например, алюминия или меди. На подложке располагается кристалл светодиода, припаянный своими контактами к контактам корпуса, в котором заключена подложка.

Сверху кристалл закрыт линзой или люминофором, в зависимости от применения диода. И уже на контакты корпуса подается напряжение, когда SMD светодиод вмонтирован в прожектор, в потолочный светильник, на светодиодную лампу или светодиодную ленту. На подложке могут располагаться один, два или три светодиода и соответственное количество выводов контактов опять-таки в зависимости от того, как светодиод будет применяться.

COB светодиоды (Нажмите для увеличения)

Кроме SMD типа существуют светодиоды COB типа (Chip On Board – англ. чип на плате). На одной плате-подложке, служащей теплоотводом, припаивается большое количество кристаллов, и все они покрываются сплошным слоем люминофора соответствующего состава. Получается один большой светодиод с соответствующей яркостью. Такая технология позволяет упростить и удешевить изготовление светодиодных ламп, а также получить больший световой поток с меньшей площади по сравнению с SMD светодиодами.

Светодиоды COB удобно использовать для освещения, для чего они практически и так используются. SMD же светодиоды могут применяться не только для освещения, но и как индикаторные или декоративные. Лампа на SMD светодиодах более ремонтно пригодна – можно заменить один перегоревший светодиод, а в лампе на COB светодиодах придется заменить всю плату-подложку. К тому же лампы на COB светодиодах дают простор для действий недобросовестных производителей – покупатель не может визуально определить количество кристаллов и соотнести их с заявленными характеристиками лампы.

Характеристики светодиодов

Основные характеристики светодиодов – это рабочий ток, напряжение, мощность, световой поток, сила света (эффективность), цветовая температура, габариты и угол рассеивания.

Рабочий ток светодиодов

Светодиоды работают только от определенной силы тока. Эта характеристика наиболее важна для работоспособности светодиода. Если светодиод рассчитан на рабочий ток в 0,02А, то даже небольшое превышение этой величины приведет к быстрой деградации светодиода и выходу его из строя. Чуть более высокое превышение силы тока ведет к мгновенному перегоранию светодиода. Рабочий ток светодиодов различен – более мощные светодиоды работают на более высоком токе. В светодиодных лампах и светильниках установлены драйвера, дающие именно ту величину тока, которая нужна для светодиодов, установленных в этих приборах. Если же требуется подключить светодиод отдельно, то необходимо знать характеристики этого светодиода, чтобы ограничить ток соответствующим драйвером, токоограничивающим резистором или конденсатором.

Напряжение светодиодов

Рабочее напряжение светодиодов зависит от полупроводников и других химических элементов, использованных при изготовлении этих светодиодов. Так как применение разных типов материалов для изготовления существующих видов светодиодов ведет к излучению света различных цветов, то рабочее напряжение можно определить по цвету светодиода. Или, говоря другими словами, светодиоды разных цветов имеют разное рабочее напряжение.

Для питания светодиодных лент и светильников обычно используются драйвера, дающие на выходе 12 вольт постоянного тока. Если запитывать от такого источника питания цепочку из последовательно соединенных светодиодов с рабочим напряжением 3 вольта, исключив в этом примере падение напряжения на токоограничивающем резисторе, то такая последовательная цепь может состоять только из четырех светодиодов. Пятый светодиод, если включить его в эту цепь, работать не будет. Каждый из светодиодов, грубо говоря, забирает из 12 вольт питания по 3 вольта.

Эту характеристику светодиода называют напряжением падения. В данном случае у каждого из светодиодов напряжение падения составляет 3 вольта. Другими словами, падение напряжения – это напряжение, возникающее на выводах светодиода при протекании через него прямого рабочего тока. Эту характеристику иногда и называют рабочим напряжением светодиода. Хотя, строго говоря, таких характеристик, как напряжения питания или рабочее напряжение, у светодиода, как и у любого диода, нет. А есть лишь такие понятия, как падение напряжения и рабочий ток.

Мощность светодиодов

Мощность светодиода зависит от его рабочего тока и падения напряжения на нем. Падение напряжения разных светодиодов колеблется в диапазоне, примерно, 1,5 – 4 вольта. Рабочий ток индикаторных и маломощных светодиодов обычно составляет 15 – 20 мА. Ток мощных осветительных светодиодов может быть 150, 350, 750 мА и доходить до 1А.

При этом необходимо помнить, что применение для светодиодов такого большого тока ведет к их чрезмерному нагреву, быстрой деградации и выходу из строя. Во избежание этого при питании светодиодов большим током, для повышения их яркости, должна использоваться хорошая система охлаждения. Для этого применяются достаточно массивные радиаторы из алюминия или даже меди, а в некоторых случаях принудительный обдув воздухом с помощью вентилятора-кулера.

Хорошее охлаждение светодиодов при их работе на большом токе снижает риск потери их работоспособности, но не исключает его совсем.

Чтобы определить мощность светодиода необходимо умножить напряжении на силу тока. Если взять максимальные для светодиодов 4 вольта и 1 ампер, мы получим самый мощный светодиод мощностью 4 Ватта. Причем это будет осветительный светодиод, работающий от тока с нехарактерной, искусственно завышенной для светодиодов силой.

Поэтому нужно понимать, что, если разговор идет о 10 ваттном или даже 100 ваттном светодиоде, то имеется в виду лампа или светильник, состоящие из нескольких штук или десятков штук светодиодов. Или же речь идет о светодиодной сборке, например, COB типа. Иными словами, 100 кристаллов-светодиодов, каждый мощностью 1 Ватт, припаиваются на единую плату и заливаются слоем люминофора. Так и получается светодиод мощностью 100 Ватт.

Световые характеристики светодиодов – световой поток, освещенность, световая отдача и угол рассеивания

Осветительные светодиоды испускают более мощный световой поток при том же или меньшем потреблении электрической энергии, что и другие источники освещения. Соответственно освещенность лампами и светильниками на светодиодах какого-либо пространства более велика, чем освещенность лампами накаливания, люминесцентными и другими такой же или большей мощности. Естественно и световая отдача осветительных светодиодов лучше, то есть они дают большее количество люмен (единиц светового потока) на каждый ватт своей мощности.

С этими характеристиками светодиодных ламп и светильников могут поспорить лишь натриевые газоразрядные лампы низкого и высокого давления и, в какой-то мере, люминесцентные лампы. Но надо понимать, что все эти отличные качества светодиодов имеют широкий разброс в зависимости от типов светодиодов и качества их изготовления.

Такая же характеристика светодиодов как угол рассеивания света отличает их от других источников излучения меньшей величиной этого угла. Угол рассеивания различных ламп без отражателя – 360°, то есть они освещают окружающее пространство во все стороны более или менее равномерно. Угол рассеивания одного осветительного светодиода может составлять 15-120°. Для расширения угла рассеивания применяется рассеивающая линза. Если же требуется узкий угол рассеивания светодиода, к примеру, для точечного – акцентного освещения, то применяется линза собирательная – сужающая луч света.

Пучок света, испускаемый светодиодом, неравномерен по яркости в пределах угла рассеивания. Он наиболее ярок в центре и снижает яркость по мере приближения к краям этого угла.

Для достижения угла рассеивания в 360° делаются светодиодные сборки из множества светодиодов, светящих в разные стороны, к примеру, такие как светодиодные лампы типа «кукуруза».

Цвета светодиодов. Цветовая температура светодиодов

Цвета светодиодов могут быть самыми разнообразными – от основных цветов до их оттенков. Если мы говорим об индикаторных DIP светодиодах, то цветовая температура не зависит от цвета корпуса светодиода. Цвет корпуса светодиода лишь показывает каким цветом будет светить данный светодиод. Цвет свечения, то есть цветовая температура, зависит от материалов, из которых изготовлен светодиод. Применение различных полупроводников, легирующих добавок и других химических элементов, а также разнообразные технологии производства позволяют получить светодиоды с различной цветовой температурой. Есть множество видов светодиодов в прозрачном корпусе, цвет свечения которых можно определить, лишь включив светодиод.

Существуют также двухцветные светодиоды, с двумя контактами, как и у одноцветного светодиода – анодом и катодом. Смена цветов в них происходит при смене полярности питания. Трехцветные с двумя анодами и общим катодом объединяют в себя два кристалла разных цветов. В зависимости от того, на какие контакты подается питание, светодиод горит одним или другим цветом. А при включении обоих цветов от их смешения получается третий цвет. Наиболее распространено объединение красного и зеленого светодиодов, при смешении дающих желтый цвет.

Светодиоды RGB типа (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий), как явствует из их названия, состоит из трех кристаллов, по отдельности дающих красный. зеленый и синий цвета. При смешении этих цветов через линзу получают белый свет, применяемый для освещения. Такие светодиоды могут быть устроены так, чтобы при управлении через контроллер они могли давать каждый цвет по отдельности или, при смешении цветов, давать все другие оттенки спектра. Например, четырех-пиновый индикаторный светодиод с тремя катодами для каждого кристалла отдельно и одним общим плюсовым выводом – анодом работает по такому принципу.

Достоинства и недостатки светодиодов как источников освещения

Достоинства осветительных светодиодов

Малое потребление электрической энергии. Получение примерно тех же световых характеристик, что и у других источников освещения достигается с меньшим расходом электроэнергии.
Заявленный производителями долгий срок службы в диапазоне, примерно, от 30 000 до 100 000 часов. Это от 3,5 до 11,5 лет при постоянной работе или от 10 лет до 34 лет при работе 8 часов в сутки.
Высокая светоотдача. Светодиоды, в зависимости от типа, дают от 10 до 250 люменов светового потока на каждый ватт своей мощности.
Отсутствие ядовитых паров ртути.

Недостатки осветительных светодиодов

Очень высокая цена у качественных светодиодов от известных производителей. Низкие фактические характеристики у некачественных светодиодов от неизвестных производителей и при этом недостаточно низкая цена по сравнению с лампой накаливания.
Гарантия известных производителей на качественные светодиоды от 3 до 5 лет в отличии от заявленного срока службы – до 11 лет при постоянной работе. Срок же окупаемости качественной светодиодной лампы – 5 лет.
Эффект высокочастотного мерцания при использовании дешевых светодиодных сборок за счет экономии на системе электропитания.
Для питания светодиодов необходимо применять драйвера или другие источники питания. А для стабильной и долгой службы светодиодов необходимо применять качественные, а значит дорогие источники питания. Гарантийный срок службы этих источников питания может быть и ниже, чем срок службы светодиодов, что значительно удорожает их обслуживание.
Применение диммеров -регуляторов для изменения освещенности возможно не для всех видов светодиодных ламп. Устройство этих регуляторов более сложно, чем устройство регуляторов для ламп накаливания, а значит они более дорогие. Иногда значительно более дорогие.
Существуют светодиоды, излучающие белый свет с разной цветовой температурой, примерно, от 3 500 – до 7 000 К. Маркетинговые названия – теплый белый свет, белый свет, холодный белый свет – не всегда точно соответствуют фактическим характеристикам. Поэтому многим людям реальный свет светодиодной лампы может быть неприятен и действует на них раздражающе.
Малый угол рассеивания. Светодиоды дают направленный свет и для получения привычной освещенности может понадобиться большее количество светильников.
Не существует двух одинаковых светодиодов, с одинаковыми характеристиками. Если несколько десятков или даже сотен однотипных ламп накаливания или ламп других видов, при включении будут светить совершенно одинаково, то со светодиодами все совсем не так. Все световые характеристики одинаковых светодиодов чуть-чуть различаются, соответственно различаются и собранные из них светодиодные лампы. При включении в сеть каждая лампа будет излучать свет отличный по своим параметрам от остальных однотипных светодиодных ламп. Световой поток, освещенность, цветовая температура и другие характеристики будут немного различны даже в одной партии ламп одного производителя. Если же при замене перегоревших ламп будут использованы лампы из другой партии и тем более другого производства, то различия в их свечении будут еще более бросаться в глаза. Получается что добиться равномерного и одинакового освещения с помощью светодиодов очень проблематично.
По поводу нашумевшего отказа от ламп накаливания в пользу светодиодов. Если повсеместно запретить лампы накаливания и применять для освещения только светодиоды для экономии электроэнергии, то электрокомпании просто повысят цену на электроэнергию, чтобы не терять прибыли. А мы будем потреблять меньше, и платить больше и при этом дополнительно покупать дорогие светодиодные лампы.

Светодиоды – чрезвычайно полезные и интересные источники света. Их применение в большинстве случаев оправданно, а в некоторых случаях просто необходимо. Но заменить все остальные осветительные устройства они не в состоянии и должны применяться в наших домах наряду с ними.

А вот и такое мнение существует о светодиодах.

Вы можете прочитать записи на похожие темы в рубрике – Освещение

Вам в устройстве Удобного Дома! С уважением www.natrix-el.kz

Делаем простой светодиод своими руками

Вопрос: «Можно ли сделать светодиод своими руками?» среди рядовых мастеров наверняка вызовет удивление. Казалось бы, зачем придумывать то, что давно придумано и серийно выпускается? Однако существует такая категория людей, которые обожают мастерить что-то необычные. Для них конструирование светодиода – это возможность повторить эксперименты О.В. Лосева, проводимые около ста лет назад, и шанс доказать себе и друзьям реальность создания светодиода в домашних условиях.

Что понадобится

Основной конструкционный материал – кусочек карбида кремния. В обычном магазине его не купишь, но если постараться, то можно найти в интернете среди частных объявлений. Кроме него понадобится иголка от булавки, соединительные провода, два мебельных гвоздя с широкой шляпкой и регулируемый источник напряжения (0-10 вольт). Также понадобится припой и немного умения пользоваться паяльником. Для измерений параметров самодельного светодиода подойдет простой мультиметр.

Подготовительная работа

Первым делом нужно найти участок на поверхности карбида кремния, способный к излучению света. Для этого исходный материал придётся раздробить на несколько кусочков размером 2-5 мм. Затем каждый из них поочередно кладут на металлическую пластинку, подключенную к плюсу источника питания напряжением около 10В. Вторым электродом выступает острый щуп или игла, присоединённая к минусу источника питания.

Затем исследуемый кусочек нужно прижать пинцетом к пластине, и острой иглой прощупать его верхнюю часть в поисках светящегося участка. Таким образом, отбирают кристалл с наибольшей яркостью. Стоит отметить, что карбид кремния может излучать свет в спектре от оранжевого до зелёного.

Изготовление светодиода

Для удобства монтажа лучше взять гвоздик длиной 10-15 мм с большой шляпкой и хорошо её залудить. Она послужит основанием и теплоотводом для кристалла. С помощью паяльника олово на шляпке доводят до жидкого состояния и пинцетом слегка утапливают подготовленный экземпляр карбида. Естественно, что излучающий участок должен быть направлен вверх. После затвердевания припоя нужно убедиться в надёжной фиксации кристалла.

Для изготовления отрицательного электрода понадобится острая часть булавки и одножильный медный провод. Как видно из фото, обе детали лудятся и надёжно спаиваются между собой. Затем на проволоке делают петлю для придания ей свойства пружины. Свободный конец провода запаивают на шляпку второго гвоздя. Оба гвоздика прикрепляют к монтажной плате на небольшом расстоянии друг от друга.

На заключительном этапе к ножкам гвоздей подводят питание соответствующей полярности. Замыкается электрическая цепь иголкой, которую фиксируют в точке кристалла с максимальным свечением. Плавно наращивая напряжение питания, можно определить значение, при котором яркость перестаёт интенсивно нарастать. В результате проведенных измерений падение напряжения составило 9В, а прямой ток 25 мА. При смене полярности карбид кремния перестаёт излучать свет, что частично объясняет его полупроводниковые свойства.

Не удивлюсь, если радиолюбители со стажем выскажут свой негатив в адрес получившейся необычной конструкции, напоминающей простейший светодиод. Однако иногда собирать подобные вещи самостоятельно – это интересно и даже полезно. Примером служат радиолюбительские кружки для школьников, в которых дети знакомятся со свойствами разных материалов, учатся паять и познают азы полупроводников.

Как делают светодиодные лампы — Lumileds на DRIVE2

Какой должна быть светодиодная лампа, чтобы не разочаровать покупателя. Какие технологии лежат в основе производства ее частей и как это влияет на качество и долговечность всего изделия. Разбираемся в статье.

Светодиодные лампы всё энергичнее теснят на полках магазинов всех предшественников, превосходя по своим параметрам не только архаичные лампы накаливания, но и галогенки, и компактные люминесцентные источники света. И уже не важно, присматриваете ли вы лампу для люстры, или для автомобильных фар. Вопрос, какую лампочку купить, когда на витрине лежит десять похожих, перестаёт быть простым.

Не все светодиодные лампы одинаковы. Чем могут различаться лампочки разных производителей? Все обещают высокую эффективность и непревзойдённую долговечность, но всем ли обещаниям можно верить? И можно ли как-то отличить пустые обещания от обоснованных?

Светодиодный источник света — сложное устройство, собранное из десятков компонентов, каждый из которых влияет на работу всего устройства. Долговечность лампы целиком зависит от добросовестности производителя. Почему это так — станет ясно после того, как мы хотя бы в общих чертах рассмотрим физические процессы, лежащие в основе работы светодиодных ламп.

Светодиод: физические процессы и технические решения

«Правильные» полупроводники

Электропроводность вещества связана со способностью заряженных частиц — электронов или ионов, содержащихся в этой среде — достаточно свободно в ней перемещаться.

Лучшими проводниками являются металлы. Электроны могут легко перемещаться между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток. В диэлектриках, напротив, электроны связаны с атомами очень сильно. Оторвать электрон от атома можно, но потребуется очень большое напряжение.

Полупроводники по своим свойствам находятся где-то между проводниками и диэлектриками: электроны в них связаны с атомами сильнее, чем в металлах, но слабее, чем в диэлектриках.

Ещё одна особенность полупроводников — перенос заряда в них может происходить не только электронами. Если в атоме недостаёт электрона, он оказывается положительно заряженным — возникает квазичастица «дырка». Отрицательно заряженные электроны могут перемещаться в кристалле из одной дырки в другую и это будет похоже на перемещение в противоположном направлении положительно заряженных частиц.

В любом полупроводнике всегда есть некоторое количество свободных электронов и дырок. Вводя в полупроводник определённые примеси (этот процесс называется легированием) можно получить полупроводник с избытком электронов — n-типа, или с избытком дырок — p-типа. Соединив два таких полупроводника мы получим диод: устройство, проводящее электрический ток только в одном направлении.

Полный размер

Как работает полупроводниковый диод (рисунок из учебного пособия по физике для средней школы, М.А.Ушаков, К.М.Ушаков).

Когда электрический ток проходит через p-n-переход, происходит рекомбинация дырок и электронов, которая может сопровождаться испусканием фотонов света.

И вот здесь мы вплотную подошли к техническим проблемам. Чтобы рекомбинация привела к испусканию фотона, дырки и электроны должны обладать определенной энергией. Именно поэтому не всякий полупроводниковый диод будет светиться.

Опустим длинное описание физических процессов, происходящих в диоде. Здесь становятся важны конкретные физические величины и рассмотрение на качественном уровне без соответствующих рассчётов ясности не внесёт. Для понимания того, каким путем можно преодолеть упомянутые ограничения важны два вывода.

1. Не все полупроводниковые материалы можно использовать для изготовления светодиодов. Например, годятся некоторые соединения галлия и индия, в то время как полупроводники на основе кремния свет почти не излучают.

2. Дефекты кристаллической решётки полупроводника, включения посторонних химических элементов нарушают картину рекомбинации и сильно уменьшают выход света.

Полный размер

Для светодиодов используются строго определённые химические соединения; важно, чтобы они не содержали посторонних примесей и имели как можно более правильную кристаллическую структуру. Фото: Shutterstock

Коротко о главном. Не все производители светодиодных ламп изготавливают полупроводниковые кристаллы сами — они предпочитают закупать готовые комплектующие, занимаясь только сборкой и упаковкой. Такие производители физически не могут проконтролировать качество светодиодов. Ведущие бренды держат под контролем весь производственный цикл.

Теплоотвод — это очень важно

Выше уже отмечалось, что полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: они обладают относительно большим удельным сопротивлением. Из-за этого при прохождении через них электрического тока они нагреваются. В тепло превращается около 80% подводимой энергии.

С этим связана еще одна техническая проблема — выделяющееся в светодиоде тепло нужно как-то отводить. Если этого не делать, температура светодиода превысит критическое значение, после которого наступит разрушение — светодиод «перегорит».

Вы наверняка слышали, что светодиоды отличаются очень маленьким энергопотреблением. Значит и тепла они выделяют мало. В чём же тогда здесь может быть проблема?

Типичный размер светодиода — 1 кв. мм. Его охлаждение происходит путём теплообмена с окружающей средой, с воздухом. При столь незначительных размерах светодиода избыточное тепло просто не успевает передаваться окружающему воздуху и температура светодиода быстро растет.

Вот почему крохотный полупроводниковый элемент монтируют на относительно большое керамическое основание, а для дополнительного теплоотвода используют токопроводящие дорожки.

Мощные светодиоды для головного света автомобиля нуждаются в особенно эффективном охлаждении. Конструкция радиатора и его размер рассчитаны так, чтобы обеспечить эффективное охлаждение лампы с учётом её размещения в фаре.

Полный размер

Лампа Philips LED h5 12953 BW. Охлаждающий радиатор вынесен за пределы фары. Фото: Philips

Полный размер

Лампа Philips LED H7 XU 12985 В теплоотводе стоит вентилятор, и вся лампа находится внутри фары. Фото: Philips

Коротко о главном. Процессы в полупроводниках очень сильно зависят от температуры. При её повышении выше критического уровня устройство необратимо выходит из строя, поэтому светодиоды нуждаются в эффективном теплоотводе. Качественные светодиодные источники света снабжаются эффективными и конструктивно очень сложными радиаторами, которые гарантируют работу устройства без перегрева.

Люминофор

Вернёмся к механизму излучения светодиода. В процессе рекомбинации электроны излучают фотоны в очень узком диапазоне длин волн. Фактически, излучение светодиода монохромно. Для использования в осветительных приборах такое излучение непригодно.

Чтобы расширить диапазон излучения светодиода используется люминофор — вещество, способное переизлучать поглощённую энергию в виде света. Именно плёнка люминофора жёлтого цвета видна на поверхности светодиодов. Иногда люминофор наносится на внутреннюю поверхность колпачка, которым накрывают светодиод.

Полный размер

Излучение светодиода попадает на люминофор, переизлучающий его в видимом диапазоне. Фото: Shutterstock

Монохромное синее (или невидимое ультрафиолетовое) излучение светодиода направляется на люминофор, который переизлучает его в более длинноволновом и широком диапазоне. Такой же принцип используется в энергосберегающих и люминесцентных лампах, в которых люминофор нанесён на внутреннюю поверхность стеклянной трубки.

От качества и характеристик люминофора зависит цвет излучения светодиода, его спектр, а также долговечность. Низкокачественные люминофоры, например, быстро деградируют и яркость свечения светодиода уменьшается.

Цвет и спектральный состав люминофора влияют на восприятие и самочувствие человека, поэтому важность этой характеристики светодиода не стоит недооценивать. Это большая и многоплановая тема. Мы укажем здесь только на два аспекта, важных для выбора светодиодного источника света для автомобильных фар.

Излучение люминофора должно приближаться к спектру естественного освещения. Только тогда цвета предметов не будут искажаться. Для водителя очень важно быстро распознавать появляющиеся в свете фар предметы. Для светодиодных источников света существует особая характеристика — индекс цветопередачи. У хороших светодиодов его величина достигает 0,9 и более.

Полный размер

Спектр излучения светодиодной лампы (справа) по сравнению со спектром естественного света (слева) узкий и неравномерный, что приводит к искажению видимых цветов.

Суточные ритмы человека регулируются различными механизмами. Так, например, голубые лучи подавляют выработку гормона мелатонина, вызывающего сон. Поэтому светодиодные лампы белого цвета для фар гораздо сильнее способствуют поддержанию бодрости водителя, чем традиционные лампы.

Все эти обстоятельства сильно повышают требования к качеству люминофора, используемого при изготовлении светодиодов и технологии его нанесения.

Коротко о главном. Спектр излучения люминофора влияет не только на восприятие, но и на самочувствие человека. Кроме того, не все люминофоры одинаково долговечны. Крупные производители светодиодных источников света строго контролируют качество используемого люминофора.

Ролик об изготовлении светодиодов:

Блок питания светодиода

Для нормальной работы светодиода к нему должен подводиться электрический ток со строго определёнными параметрами. Устройство, которое обеспечивает светодиод стабилизированным током называется драйвером.

В мощных источниках света светодиоды соединяются в группы различными способами. Сборки с разной конфигурацией требуют питание разными токами при разном напряжении. Поэтому какой-либо одной универсальной схемы драйвера не существует.

Полный размер

Драйверы ламп головного света Philips. Фото с сайта Drive2

Если какой-либо светодиод из сборки выходит из строя, оставшиеся продолжают работать — лампа горит, хотя и слабее. Если же из строя выходит драйвер, светодиодная лампа гаснет целиком.

Коротко о главном. Качественный драйвер — его схемотехническое решение и надёжность используемых компонентов — критически важен для долговечной работы лампы.

Выводы

Беглый обзор технических трудностей, которые возникают в процессе изготовления светодиодов и источников света на их основе показывает: на долговечность и характеристики светодиодных ламп влияют многие обстоятельства:

— химическая чистота исходных веществ и используемая технология выращивания полупроводниковых кристаллов,— характеристики используемого люминофора,— конструкция светодиода и лампы в целом, обеспечивающая нормальный теплоотвод,

— надёжный драйвер.

Ничего из этого в магазине не проверить, можно лишь убедиться, что лампа горит. Единственный выход — довериться репутации производителя и выбирать продукцию надёжного и известного бренда.

Сегодня мы говорили об особенностях светодиодных источников света. Впереди рассказ о галогенных и ксеноновых. Подписывайтесь на обновления нашего блога, чтобы не пропустить новые полезные статьи.

Что такое светодиод?

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее. Но, может статься, ожидания преувеличены? Узнать бы поточнее!

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

3. Как работает светодиод?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 приконтактные 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 р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?Только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?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.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал кпд и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но... проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире — дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош...» — и работы Панкова не поддержали.Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирую-щий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10 — 20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?Существует три способа получения белого света от светодиодов. 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. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И наконец в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой свето-диод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. 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: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец 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.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода.Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?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.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?Как видно из рисунка, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

типичная вольт-амперная характеристика светодиода

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?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.

18. Чем определяется срок службы светодиода?Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20 — 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.— Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто — фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.Одновременно специалисты из группы Бориса Фера-понтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют 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. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 — 2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры.Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- 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 светоди-ода 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-техноло-гии (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.

технология СОВ

23. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию и где высоки требования по электробезопасности.

В Москве в начале 2004 года была принята трехлетняя программа энергосберегающего освещения на базе светодиодных технологий. Координационный совет возглавил профессор Ю.Б. Айзенберг. Согласно этой программе предлагается использовать светодиоды в опытном строительстве, ЖКХ и других областях. Например, светодиодные светильники будут устанавливаться в подземных переходах, подъездах, на лифтовых площадках, то есть там, где не нужна большая освещенность, но требуется минимум обслуживания и энергозатрат, а также важна высокая вандалоустойчивость.

Алексей Рябов