Вернуться в библиотеку

Источник: http://en.wikipedia.org/wiki/LED

Перевод: Трембецкая О.А.

Светодиод

История

Открытия и ранние устройства

Электролюминесценция была обнаружена в 1907 году британским экспериментатором Х.Дж. Раундом, используя кристаллы карбида кремния и детектор спиральной контактной пружинки. Русский Лосев Олег Владимирович самостоятельно создал первый светодиод в середине 1920-х годов; его исследование было распространено в России, Германии и Великобритании, но практически не использовалось в течение нескольких десятилетий. Рубин Браунштейн из корпорации «Радио Америки» сообщил о инфракрасном излучении из арсенида галлия (GaAs) и других полупроводниковых сплавов в 1955 году. Браунштейн наблюдал инфракрасное испускание, генерируемое простыми диодными строениями, используя сплавы антимонид галлия (GaSb), фосфид индия (InP) и кремний-германия (SiGe)  при комнатной температуре и при 77 кельвинах. В 1961 году , экспериментаторы Боб Берд и Гэри Питтман, работающие в Texas Instruments, установли, что GaAs испускает инфракрасное излучение, при применении электрического тока и получили патент на инфракрасный светодиод.

Первый практический видимый спектр светодиода (красный цвет) был разработан в 1962 году Ником Холоньяк младшим, тогда работающий в компании «Дженерал Электрик». Холоньяк считается « отцом светоизлучающего диода». Джордж Крафорд, бывший аспирант, в 1972 году изобрел первый желтый светодиод и улучшил яркость красного и красно-оранжевого светодиода.

В 1976 году Т. П. Пирсолом создан первый светодиод высокой яркости и высокой эффективности  для волоконно-оптических телекоммуникаций путем изобретения новых полупроводниковых материалов, специально адаптированных к волоконно-оптической передачи длин волн.

До 1968 видимые и инфракрасные светодиоды были чрезвычайно дорогостоящими, порядка 200 $ американских  за единицу и имели малое практическое применение.

В 1968 году «Монсанто» стала первой организацией, массового производства видимых светодиодов, используя фосфид арсенида галлия для производства красных светодиодов, необходимых для индикаторов. Hewlett Packard (HP) в 1968 году представила светодиоды, в первые сделанные при помощи фосфид арсенида галлия (GaAsP). Эта технология имела серьезные заявки на буквенно-цифровые дисплеи и была интегрирована в ранних карманных калькуляторах HP.

 Первые коммерческие светодиоды обычно использовались в качестве замены ламп накаливания, а также в семисегментных дисплеях, дорогостоящем оборудовании, таких как лаборатории электроники и контрольно-измерительной аппаратуре, затем в таких приспособлениях, как телевизоры, радиоприемники, телефоны, калькуляторы, и даже часы. Красные светодиоды были достаточно яркими только для использования в качестве индикаторов.

Позже и другие цвета стали широкодоступными, и также появились в приборах и оборудовании.

Поскольку технология материаловедения светодиодов стала более усовершенствованной, световыход был увеличен, сохраняя эффективность и надежность приемлемого уровня.

Изобретение и разработка светодиодов белого цвета большой мощности, привели к использованию светодиодов для освещения.

Современные светодиоды большой мощности имеют небольшое сходство с ранним светодиодами.

Технология

Физика

Как обычный диод, светодиод состоит из чипа полупроводниковых материалов, пропитанного или допированного примесями, чтобы создать p-n соединение. Как в других диодах, ток течет легко от p-стороны, или анода , к n-стороне, или катоду, но не в обратном направлении. Электроны носителей заряда и дырок текут в месте соединение от электродов  с различными напряжениями. Когда электрон встречает отверстие, он попадает в более низкий энергетический уровень, и освобождает энергию в виде фотона.

Длина волны излучаемого света и его цвет зависит от ширины запрещенной зоны материалов, формирующих p-n соединение. В кремниевых или германиевых диодах, электроны и отверстия повторно объединяются нерадиационным перемещением, которое не производит оптического испускания, поскольку их материалы косвенной ширины запрещенной зоны. У материалов, используемых для светодиодов, есть прямая ширина запрещенной зоны с энергиями, соответствующими почти инфракрасному, видимому или почти ультрафиолетовому свету.

Разработка светодиодов началась с инфракрасных и красных устройств, сделанных  из арсенид галлия. Достижения в области материаловедения сделали возможным производство устройств с более короткими длинами волн, производя свет различных цветов.

Индикаторы, как правило, построены на основании n-типа, с электродом, прикрепленным к слою p-типа, осажденному на его поверхности. Многие коммерческие светодиоды, особенно GaN/InGaN используют основание из сапфира.

Большинство материалов, используемых для производства светодиодов, имеют очень высокие показатели преломления. Это означает, что много света будет отражатся обратно на материал, поэтому легкое извлечение света в светодиодах является важным аспектом производства.

Эффективность и эксплуатационные параметры

Типичные индикаторы (светодиоды) предназначены для работы с не более чем 30-60 милливаттами [МВт] электроэнергии. Приблизительно в 1999 году, Филип Люмиледс  представил энергетический светодиод, способный к непрерывному использованию в одном ватте [Вт]. Эти светодиоды использовали намного большие полупроводниковые размеры матрицы, чтобы работать с большими мощностями. Кроме того, полупроводниковые матрицы были установлены на металлические сердечники, чтобы учесть отвод тепла от светодиодной матрицы.

Одним из ключевых преимуществ светодиодов на основе освещения является ее высокая эффективность, измеряемая в своей светоотдачи в расчете на единицу мощности. В 2002 году Люмиледс  сделал светодиод на пять ватт с доступной световой эффективностью 18-22 люменов на ватт [лм / Вт]. Для сравнения, обычные лампы накаливания 60-100 Вт производят около 15 лм / Вт, и стандартный флуоресцентный свет производит до 100 лм / В.

В сентябре 2003 года синий светодиод нового типа был продемонстрирован компанией Cree.Inc, чтобы предоставить 24 мВт при 20  миллиамперах [мА]. Компания выпустила компактный белый свет, дающий 65 лм / Вт в 20 мА, становясь самым ярким светодиодом белого цвета коммерчески доступным в то время, и больше чем в четыре раза эффективнее стандартных. В 2006 году они продемонстрировали прототип с рекордной световой эффективности 131 лм / Вт при 20 мА. Корпорация Nichia  разработала светодиод белого света с эффективностью 150 лм / Вт при прямом токе 20 мА.

Срок службы и отказ

Устройства твердого тела, такие как светодиоды могут быть весьма ограниченным к износу, если система эксплуатируется в низких токах и при низких температурах. Многие из светодиодов производства 1970-х и 1980-х годов все еще находятся в эксплуатации в настоящее время. Типичные сроки службы составляют 25000 - 100000 часов, но тепло и текущие настройки могут значительно продлить или сократить время службы.

Наиболее распространенный признак отказа светодиода является постепенным понижением светоотдачи и падения эффективности. Также могут произойти внезапные отказы. Ранние красные светодиоды отличались своим коротким сроком службы. С развитием мощных светодиодов устройства подвергаются более высоким температурам соединения и более высоким плотностям тока, чем традиционные устройства. Это вызывает напряжение на материале и может вызвать раннюю деградацию светоотдачи. Чтобы количественно классифицировать срок службы в стандартизированной манере, было предложено использовать сроки L75 и L50, которые являются временем, когда данный светодиод достигнет 75% и 50% светового потока, соответственно. L50 равен половине жизни светодиодов.

Цвета и материалы

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице показаны возможные цвета спектра с длиной волн, падение напряжения и материалы

Вверх