Сучаснi свiтлодiоди

Давайте поговоримо про те, що таке сучасні світлодіоди. В останні роки ми стали свідками стрімкого розвитку та революційного вдосконалення світлодіодів (світловипромінювальних діодів, скорочено СІД) - твердотільних напівпровідникових джерел світла. Ще недавно світлодіоди були всього лише пристроями індикації, а сьогодні це вже високоефективні джерела світла, які в найближчі 10-15 років перетворять світ штучного освітлення і, можливо, замінять лампи розжарювання і люмінесцентні лампи.

Прогрес, досягнутий в розробках і виробництві оптоелектронних напівпровідникових приладів в даний час, в першу чергу, пов'язаний з використанням сполук і твердих розчинів типу AIIIBV. Яскравими представниками цього класу приладів є випромінюють діоди (ВД).

Систематичні дослідження в області випромінюючих діодів почалися тільки з другої половини ХХ століття,, хоча епоха створення ВД має майже столітню історію. Дослідження і розробки в області матеріалів і технологій їх виробництва в 60-90-і роки дали потужний імпульс розвитку електроніки. В ряду цих «атлантів» були Н. Холоньяк (Н. Холоньяк), Ж.І. Алфьоров, І. Акасака (І. Akasaki), Х. Амано (Н. Amano), С. Накамура (Ш. Накамура), звичайно, включаючи їх співавторів і помічників.

Щоб зрозуміти, чому светодиодам пророкують велике майбутнє, розглянемо докладніше етапи їх створення та розвитку. У 1907 році англійський інженер Хенрі Раунд випадково помітив, що в працюючого карборундовому детектора навколо точкового контакту виникає світіння. Всерйоз ж зацікавився цим фізичним явищем і спробував знайти йому практичне застосування талановитий радянський вчений Олег Володимирович Лосєв. Виявивши в 1922 році під час своїх нічних радіовахт світіння кристалічного детектора, цей, тоді ще 18-річний юнак, негайно перейшов до експериментів. Прагнучи отримати стійку генерацію кристала, він пропускав через точковий контакт діодного детектора струм, тобто мав справу з прототипом напівпровідникового приладу, названого згодом світлодіодом або світловипрмінюючим діодом (СІД).

Серйозний розвиток СІД або LED, як їх прийнято називати в англомовних країнах, почався в середині ХХ-століття в США. З'ясувалося, що германій (Ge) і кремній (Si), на основі яких робляться напівпровідникові тріоди (транзистори), безперспективні для створення світлодіодів через занадто великий «роботи виходу». Успіх же супроводжував багатокомпонентним гетероструктурах з'єднань галію (Ga), арсеникум (миш'яку - As), фосфору (Р), індію (In), алюмінію (Al). Однак реалізовані на практиці ці ідеї були лише в середині століття, після виявлення ефективної люмінесценції напівпровідникових сполук типу фосфіду (GaP) і арсеніду (GaAs) галію та їх твердих розчинів. У підсумку на їх основі були створені світлодіоди і таким чином закладений фундамент нової галузі техніки - оптоелектроніки.

Перші, що мають промислове значення, світлодіоди були створені на початку 60-х років на основі структур GaAsP / GaP Ніком Холоньяком (США) зі співавторами з червоним і жовто-зеленим кольором світіння. Зовнішній квантовий вихід був не більше 0,1%. Довжина хвилі випромінювання цих приладів знаходилася в межах 500-600 нм - області найвищої чутливості людського ока, - тому яскравість їх жовто-зеленого випромінювання була достатньою для цілей індикації. Світлова віддача СІД при цьому складала приблизно 1-2 лм / Вт Вони стали широко використовуватися в якості індикаторних пристроїв.

Перш за все, СІД - напівпровідниковий прилад з електронно-дірковим р-переходом або контактом «метал - напівпровідник», що генерує (при проходженні через нього електричного струму) оптичне (видиме) випромінювання. Якщо до р-п-переходу прикласти «пряме зміщення», тобто під'єднати джерело електричного струму плюсом до р-частини, то через нього потече струм.

У СІД на основі SiC виявився занадто малий ККД і низький квантовий вихід випромінювання - тобто число випроменених квантів на одну рекомбіновану пару. У СІД на основі твердих розчинів селеніду цинку ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися через велику опору і служили недовго. Залишалася надія на нітриди. Нітрид галію GaN плавиться при 2000 ° С, при цьому рівноважний тиск парів азоту становить 40 атмосфер; ясно, що вирощувати такі кристали непросто. Аналогічні сполуки - нітриди алюмінію та індію - теж напівпровідники. Їх сполуки утворюють потрійні тверді розчини з шириною забороненої зони, яка залежить від складу, який можна підібрати так, щоб отримувати світло потрібної довжини хвилі, у тому числі і синій. Але виникли труднощі в синтезі і легуванні цих матеріалів (зазвичай їх отримують у вигляді епітаксійних плівок). Для вирощування плівок використовують два технологічних підходу: метод молекулярно-променевої епітаксії (МВЕ - молекулярно-променевої епітаксії) в умовах надвисокого вакууму і метод осадження плівок з металоорганічних сполук (МОС - металоорганічних хімічного осадження парів). Принципово важливо при цьому забезпечити збіг періодів кристалічних граток послідовних шарів з різним хімічним складом, щоб кордони між сусідніми шарами не містили дефектів і були різкими.

Радянський учений Жорес Іванович Алфьоров з співавторами з Фізико-технічного інституту ім. Іоффе вперше в 60-х роках запропонували використовувати чотирьохкомпонентні гетероструктури AlAsGaP для отримання потужних в той час СІД, за що в 2000 р. був удостоєний Нобелівської премії в галузі фізики.

Першим, ще в 70-х роках, світлодіод синього кольору світіння на основі плівок нітриду галію на сапфірової підкладці вдалося отримати професору Жаку Панкову з співавторами з компанії IBM (США). Квантовий вихід був достатній для практичного застосування. Але термін їх служби був обмежений. На початку 80-х років Г.В. Сапарін і М.В. Чукічев в Московському державному університеті ім. М. В. Ломоносова виявили, що після дії електронного пучка зразок GaN, легований Zn, локально стає яскравим люмінофором. Були запропоновані пристрої оптичної пам'яті з просторовим дозволом 1-10 мкм. Але причину яскравого світіння - активацію акцепторів Zn під впливом пучка електронів тоді зрозуміти не вдалося. Цю причину розкрили японські вчені І. Акасака і Х. Амано з Нагойского університету.

Прорив у виготовленні СІД синього кольору світіння здійснив С. Накамура з компанії Nichia Chemical (Японія) 29 листопада 1993 року, коли компанія Nichia Chemical Industries оголосила, що завершила розробку СІД синього кольору світіння на основі GaN і планує приступити до їх масового виробництва. Лише деякі, навіть в Японії, коли-небудь чули про Nichia, ця компанія ніколи не значилася серед зареєстрованих в оптоелектронної промисловості. Свій перший СІД синього кольору світіння Накамура виготовив 28 березня 1991. Він залишив його включеним, коли йшов додому, а після безсонної ночі, прийшовши рано вранці в лабораторію, побачив, що діод ще світить. І хоча випромінювання було не дуже яскравим, це була перемога. Два з половиною роки після численних поліпшень до моменту появи знаменитого оголошення Накамура виготовив світлодіоди, що випромінювали з силою світла 1000 мккд, а ще через шість місяців компанія оголосила про випуск діода на 2000 мккд, який випромінював настільки яскраво, що на нього боляче було дивитися.

Перший комерційний СІД синього кольору світіння був зроблений Накамурою на початку 1994 року на основі багатокомпонентоi гетероструктури InGaN / AlGaN з активним шаром InGaN, легованим Zn. Вихідна потужність становила 3 мВт при прямому струмі 20 мА з квантовим виходом 5,4% на довжині хвилі випромінювання 450 нм. Незабаром після цього був виготовлений зелений СІД, випромінював з силою світла 2 кд.

Схематичне зображення гетероструктури СІД синього кольору світіння.

Внутрішній квантовий вихід СІД білого кольору світіння збільшився з 10 до 60% за останнє десятиліття, підтверджуючи значне збільшення ефективності СІД у всьому спектральному діапазоні. Висока випромінювальна ефективність і світловий потік дозволили високояркім (ВЯ) СІД конкурувати з традиційними джерелами освітлення. За прогнозами компанії Avago європейський ринок СІД буде збільшуватися, грунтуючись на двох стовпах - багатокомпонентних гетероструктурах AlGaInN і AlGaInP і приладах на їх основі. Компанія Strategies Unlimited прогнозує зростання ринку ВЯ СІД з 4,2 млрд. доларів США в 2006 р. до понад 9 млрд. доларів США до 2011 р.

З моменту своєї появи світлодіоди пройшли довгий шлях технологічного розвитку. В останні роки були розроблені яскраві СІД в широкому діапазоні кольорів, який тепер включає білий. Це, в свою чергу, відкрило масу нових застосувань для СІД як джерело світла зі своєї власної нішею ринку, відомої як «СІД високої яскравості» (HB LED). Для визначення таких СІД також використовують терміни «супер'яркіе світлодіоди», «над'яскравих світлодіодів», «ультраяркие світлодіоди» - це синоніми. Є кілька способів ідентифікувати СІД високої яскравості. Перший дуже простий і інтуїтивний - СІД настільки яскраві, що спостерігач не може безпосередньо дивитися на них без роздратування очей. Другий - більш технічно визначено, грунтуючись на виробничому процесі СІД. Існує два типи СІД високої яскравості з використанням певних напівпровідникових матеріалів. На основі AlInGaP створюють СІД червоного, оранжевого, жовтого і зеленого кольору світіння високої яскравості. Інший матеріал - InGaN, дозволяє створити СІД синього, зеленого і, спільно з жовтим фосфором, білий колір свічення.

Найпростіший 5мм СІД високої яскравості забезпечує інтенсивність світла, по крайней мере, кілька сотень міллікандел.

Наступним кроком у розвитку стали СІД в корпусі "Піранья"

На сьогоднішній момент високопотужні СІД поділяються на два основних підкласи - в корпусі SMD (СІД поверхневого монтажу) і СІД з мінілінзой.

Світловий потік SMD СІД досягає 300-400 лм для 3-5 Вт виробів, а у СІД з мінілінзой до 220-300 лм

1.3 Світлодіоди в зовнішній рекламі, за і проти.

Усього десять-дванадцять років тому про світлодіодах мало хто чув. Ще рідше можна було зустріти тих, хто міг би поділитися досвідом у використанні твердотільних джерел світла для підсвічування вивісок. Сьогодні ж світлодіоди займають впевнені позиції на ринку виробництва електрифікованої реклами, все активніше конкуруючи з люмінесцентними лампами і приходячи на зміну все рідше зустрічається неоновим трубкам. Найбільшою популярністю за цілком очевидним причин серед сайнмейкеров користуються LED-модулі, які випромінюють біле світло. Щоб максимально реалізовувати потенціал LED-технологій у виробництві світлової реклами, перш за все необхідно краще розуміти природу білих світлодіодів і знати про їх сильних і слабких сторонах.

Принципи роботи світлодіодів

Світловипромінювальний діод являє собою електронний пристрій, який випромінює світло, коли через нього пропускають електричний струм. Діод складається з кристала (нерідко званого чіпом), який виготовлений з напівпровідникового матеріалу з вкрапленнями домішок, необхідних для створення р-переходу (або електронно-діркового переходу). У діоді струм проходить від сторони р (анода) до сторони п (катоду), але не в зворотний бік. Носії заряду (електрони і дірки) надходять в р-перехід від електродів з різним напругою. При зіткненні електронів з дірками відбувається рекомбiнацiя у видi квантово-ел-магнiтного випромiнювання. Якщо енергiя квантiв попадає в видиму область спектра, то цi квант називаються фотонами.

Колір світіння (або довжина хвилі випромінюваного світла) світлодіода визначається матеріалами, з яких виготовлений світлодіод. Монохроматичні діоди випускаються в різних кольорах, включаючи червоний, синій, янтарно-жовтий, зелений і ультрафіолетовий, зі світловіддачею від 10 до 200 люменів. Щоб отримати LED-пристрої, що випромінюють біле світло, вдаються до однієї з трьох найпоширеніших в даний час технологій, про що далі розповідається більш докладно.

Методи виготовлення білих світлодіодів та особливості їх передачі кольору

На відміну від більш традиційних ламп, світлодіоди генерують світло дуже вузького діапазону довжин хвиль у видимому спектрі, результатом чого є їх майже монохромне світіння. Саме тому світлодіоди особливо ефективно використовувати в світлових установках, випромінювальних небудь певний основний колір, наприклад, в світлофорах і покажчиках.

Для білих світлодіодів, що виготовляються за принципом комбінації синіх кристалів з фосфором, характерні досить низький індекс передачі кольору (близько 70), схильність до генерації білого світла холодних тонів, неоднорідність відтінку свічення при досить високій светоеффектівності і відносно невеликій вартості.

Білі світлодіоди, отримані на основі комбінації діодів (RGB-системи,це комбинацiя кольорiв), мають більш високим індексом передачі кольору, можуть генерувати білий світ більш теплих відтінків і відрізняються більшою однорідністю відтінків світіння від діода до діода. При цьому вони не настільки енергоефективні і не настільки яскраві, як перші.

У свою чергу, принцип RGB дозволяє створювати світлодинамічні ефекти в світлових установках зі зміною кольору світіння і різними тонами білого світіння і потенційно може забезпечувати дуже високий індекс передачі кольору. У той же час світлодіоди окремих кольорів по-різному реагують на величини робочого струму, навколишнє їх температуру і регулювання яскравості, і потребують досить складних і дорогих системах управління для досягнення стабільного кольору світіння.

Переваги світлодіодiв та iх експлуатацiя:

Однiєю iз переваг світлодіодів є їх світлова ефективність. Так, що поставляються в даний час на ринку LED-модулі генерують світловий потік в діапазоні від 25 до 80 люменів на кожен ват споживаної потужності. Приміром, у ламп розжарювання светоеффектівность не перевищує 5-10 лм / Вт.

Другий плюс у використанні світлодіодів - їх довговічність, яка в середньому складає 25-50 тис. годин. Для порівняння: лампа розжарювання потужністю 75 Вт працює приблизно 1 тис. годин, компактна люмінесцентна лампа порівнянної яскравості - від 8 тис. до 10 тис. годин. Довговічність LED-модулів дозволяє істотно скорочувати витрати на обслуговування світлових установок і покупку нових джерел світла для заміни поламаних ламп. Приміром, світлодіодний світильник при роботі 8:00 в день, здатний прослужити 18 років до того, як вийде з ладу, буде споживати менше електроенергії, ніж інші джерела світла і майже не потребують обслуговування.

Розглянемо більш детальне порівняння довговічності світлодіодів і ламп денного світла. Зазвичай термін служби люмінесцентних ламп оцінюється в 10-12 тис. годин. Що ж до світлодіодів, вважається, що замінювати LED-модулі на нові необхідно тільки тоді, коли рівень яскравості їх світіння становить не більше 30% від початкової величини. Згідно з даними Міністерства енергетики США, самий довговічний з вже протестованих світлодіодів безперервно пропрацював 35 тис. годин, перш ніж досяг цього показника. В силу постійного розвитку світлодіодних технологій середньостатистичний ресурс LED-модулів продовжує збільшуватися. За оцінками експертів, термін служби сучасних білих світлодіодів оцінюється в 17-20 років при щоденній експлуатації протягом восьми годин.

Варто зауважити, що світлодіоди не перегорають, як люмінесцентні лампи, а в більшості випадків з часом просто втрачають свою первісну яскравість.

Всі ці плюси в експлуатації твердотільних джерел світла забезпечують економію електроенергії, скорочення витрат на обслуговування світлових конструкцій і зниження ціни експлуатацii вивіски зі світлодіодним підсвічуванням на протязі її терміну служба в цілому. У конструкції світлодіодів не використовується небезпечних для людського здоров'я речовин, на відміну від компактних люмінесцентних ламп, всередині яких містяться ртутні пари. Важливим плюсом світлодіодним технології є і той факт, що при діммірованіі (зниження яскравості світіння) відтінок кольору їх світіння не змінюється на відміну, приміром, від ламп розжарювання, світло яких в цьому випадку жовтіє.

Світлодіоди - оптимальний вибір для використання в вивісках, які працюють в постійному або достатньо частому режимі включення / вимикання. Наприклад, люмінесцентні лампи при частому виключенні виходять з ладу набагато швидше, а газорозрядним лампам потрібно досить відчутний проміжок часу, щоб заробити на повну силу після включення живлення. Світлодіоди у включеному стані починають випромінювати світло майже миттєво: наприклад, червоний LED-модуль досягає повної яскравості світіння за мікросекунди.

Світлодіоди, по суті своїй є твердотільними пристроями, складно пошкодити при зовнішніх ударах, на відміну від люмінесцентних ламп, неонових трубок і ламп розжарювання, які при падінні або сильному зовнішньому впливі руйнуються без можливості лагодження.

І їх недоліки:

Оцінюючи різні споживчі властивості та якості світлодіодів, найчастіше їх основним мінусом називають більш високу вартість у порівнянні з традиційними джерелами світла. Ця величина ще більше збільшується за рахунок необхідності у використанні більшого число LED-модулів при досягненні необхідної яскравості світіння вивіски, а також за рахунок витрат на необхідні для їх роботи електроніку та блоки живлення. І все ж варто зауважити, що в цілому вартість володіння (включаючи витрати на електроенергію і обслуговування) світлодіодним світловий конструкцією відчутно нижче, ніж вивіскою аналогічного розміру і яскравості, оснащеної якими іншими джерелами світла.

У режимі експлуатації виявляється і ще одна особливість світлодіодів, яку, мабуть, слід віднести до їх недоліків: сильна залежність від температури, навколишнього середовища світловоi конструкціi. Якщо LED-модулі піддаються сильному нагріванню, відбувається перегрів їх корпусів, і в результаті це може привести до передчасного виходу світлодіодів з ладу. Зокрема, відомо, що підвищення експлуатаційної температури на 10 градусів Цельсія може скоротити термін служби світлодіода вдвічі. Таким чином,для забезпечення максимально можливого терміну служби світлодіодів необхідна відповідна система відводу тепла. Тому при оцінці передбачуваної довговічності світлодіодів слід враховувати рекомендовану виробником робочу температуру і рішення, впроваджені ним у конструкцію LED-модуля для нівелювання нагріву.

Отже, на які ж питання слід отримати відповіді виробника чи постачальника білих світлодіодів, якщо ми прагнемо отримати якісну і довговічну підсвічування нашої вивіски? Це:

1) Яку технологію виготовлення світлодіодних модулів з білим кольором світіння практикує фірма-виробник?

2) Які светоеффектівность (в люменах на ват), кут розсіювання світлового потоку (в градусах), колірна температура (ССT) в Кельвінах і індекс передачі кольору (в одиницях від 1 до 100) цих джерел світла?

3) Який передбачуваний термін служби світлодіодів?

4) Які додаткові пристрої необхідні для роботи світлодіодних модулів?

5) В якому діапазоні температур рекомендується використовувати ці світлодіоди, і як в них реалізована система відводу тепла?

При підготовці публікації використані матеріали компаній Cree, Inc Lutron Electonics Co, Inc, компанія OSRAM Opto Semiconductors і Philips Lumec.

Можливість регулювання яскравості світіння світлодіодів в вивісці є ще одним важливим аспектом, який доцільно враховувати при проектуванні тієї чи іншої світлової конструкції. Діммірованіе LED-підсвічування дозволяє оптимізувати експлуатацію установки, реалізувати в рекламному виробі додаткові світлодинамічні ефекти, а також збільшити термін служби діодів.