Сверхъяркий светодиод

Сверхъяркий светодиод – это рекламная уловка, эпитет, на который продавцы заманивают доверчивых покупателей. На самом деле обращать внимание нужно только на КПД и ни на что более.

Понятие яркости

Мало изучения характеристик светодиода в данном вопросе, потому что накладывает свои ограничения физиология человека. Чувствительность глаза к волнам зелёного цвета на порядок превышает тот же параметр для красного. А значит, мало вычислить плотность потока мощности, мало убедиться, что тепловой режим не выходит за рамки дозволенного, благодаря хорошему КПД. Нужно ещё и наложить получившийся результат на особенности человеческого зрения.

Теперь становится понятно, что все заявления фирм-производителей об их сверхъярких светодиодах – не более, нежели рекламный трюк. Нужно в этом случае оценивать продукт в комплексе, но даже после этого помните – дорогой читатель – что когерентное свечение опасно для глаза. Не стоит проверять продукцию на своём собственном зрении.

На обычную 10-ваттную светодиодную лампочку уже больно смотреть. Несмотря на то, что излучающая матрица светит сквозь матовое стекло. Авторы уверены, что любую из них можно назвать сверхъярким светодиодом.

История развития вопроса

Большинство диодов работает за счёт эффекта люминесценции. Она была открыта в начале XX века. Многие считают, что первые светодиод изготовил нечаянно Генри Джозеф Раунд, когда оценивал выпрямляющие свойства карбида кремния. Примечательно, что этом минерал, карборунд, на планете Земля практически не встречается, хотя очень распространён в звёздных атмосферах.

Яркое освещение

Яркое освещение

Именно оттуда и прилетел метеорит, который оказался не по зубам Юджину Ачисону в 1891 году. Затея землекопа вполне понятна – он решил, что обнаружил на погибшем астероиде алмазы и захотел втихую продать находку. Но когда показал изделие ювелиру, тот заметил, что отсутствуют характерные признаки одного из самых дорогих камней на планете. Причём произошло это годы спустя. Видимо, Юджин копил на пенсию, и заначка долгое время пылилась в его закромах.

Что касается карборунда Генри Джозефа Раунда, он был искусственным. На начало XX века минерал уже научились синтезировать. По своей твёрдости он, действительно, уступает только алмазу. Исследуя свой кристаллический детектор для радио (подбодрённый опытом других исследователей, уже заимевших патенты), Генри и обнаружил свечение. Он немедленно написал в редакцию журнала Электрический мир и сообщил следующие сведения:

  1. При напряжении 10 В переменного тока начинают светиться некоторые образцы карборунда жёлтым.
  2. По мере повышения разницы потенциалов вплоть до сетевых 110 В свечение демонстрируют практически все подопытные кристаллы.
  3. По мере повышения напряжения в спектре, помимо жёлтого, можно наблюдать зелёный, оранжевый и синий цвета.
  4. Некоторые материалы светятся лишь с краю, другие демонстрируют объёмный эффект.
  5. Само явление едва ли может объясняться термоэлектричеством.

Свечение возникает при прямом смещении p-n-перехода. При достаточно большом приложенном напряжении в кристалл проникает значительное число неосновных носителей заряда. Этот процесс объясняется туннельным эффектом. Когда заезжие гастролёры начинают рекомбинировать с основными носителями заряда, излишек энергии превращается в свет. Именно этим и объясняется тот факт, что при низких напряжениях свечения Генри Джозеф Раунд не наблюдал.

Однако не все так просто. Диоды Шоттки – а карборунд с металлическими контактами был именно им – могут светиться и при отрицательном приложенном напряжении. Схема в точности такая же, но при значительной разнице потенциалов наблюдается лавинный пробой перехода. Атомы полупроводника ионизируются разогнавшимися носителями заряда, и обратная рекомбинация опять же производится с излучением фотона света.

Внимание! Современные светодиоды излучают только при прямом смещении p-n-перехода, когда на анод подаётся положительный потенциал.

Работы Раунда были повторены нашим соотечественником Лосевым в 1928 году. Он также на кристаллическом детекторе сумел получить свечение и установил, что одни образцы светятся только при униполярном подключении, а для других направление постоянного тока не имеет значения. Он пытался осмыслить этот факт, но ни к чему не пришёл. Однако подтвердил заключение Раунда о том, что эффект никак не связан с термоэлектрическим нагревом.

Читайте также:  Световой поток

Началом светодиодной эры можно считать ранние 60-е годы, когда появились первые карборундовые плёнки. КПД первых образчиков был потрясающе мал и составлял порядка 0,005%. А все дело в том, карбид кремния является далеко не лучшим материалом для изготовления сверхъярких диодов. Точнее говоря, последнее вообще нельзя осуществить на данном этапе технологии.

А какой лучше?

Было бы удивительно, если первый светодиод был сделан сразу же из лучшего на свете материала. В начале 90-х карборунд вообще исчез с прилавков, так что не пытайтесь больше искать упавшие метеориты. Последние голубые светодиоды излучали в диапазона 470 нм с КПД порядка 0,03%.

Уже в 50-е годы полупроводники из группы AIIBVI были неплохо изучены. И производился постоянный поиск новых технических решений. На свет появились светодиоды из полупроводников класса AIIIBV, на примере которых учителя физики поясняют явление примесной проводимости. Материалы этого типа полностью искусственного происхождения, в природе не обнаружены. Легируя галлий мышьяком, учёные получали новое поле для исследований. Примеси вводились на подложку жидкофазной или газофазной эпитаксией.

К 1962 году уже появились на лазеры на основе этого материала. Им пророчили большое будущее в космической отрасли, годились для связи и измерений. Серийный выпуск светодиодов на основе арсенида галлия предприняла компания Texas Instruments. Цена одной штуки составляла 130 долларов. Сегодня стоимость светодиодов значительно ниже, и арсенид галлия широко применяется для создания пультов управления, устройств связи и многого другого.

Фосфорилированный арсенид галлия

КПД известных материалов был ещё слишком мал для создания сверхъярких светодиодов. Так Холоньяк и Бевака пришли в 1962 году к необходимости фосфорилирования арсенида галлия для улучшения характеристик. Особенностью новых приборов стала высокая когерентность излучения. Это означало, что аппаратуру связи ждут дальнейшие усовершенствования, потому что однородность пучка играет в этом случае большую роль.

Современные технологии

Современные технологии

До сих пор речь шла о разработках преимущественно инженеров фирмы IBM, если не считать секретных проектов НАСА. Но в 1962 году в борьбу включилась знаменитая General Electric. Выращивая кристаллы методом газофазной эпитаксии, инженеры компании добились заметных успехов. Примечательно то, что быстро удалось повысить КПД устройств, но когерентность излучения при этом сильно снизилась. Цена Дженерал Электрик вдвое превышала Texas Instruments, поэтому партия вышла совсем мизерной.

В 1968 году Монсанто выкупили права и занялись массовым выпуском светодиодов на основе фосфорилированного арсенида галлия. После этого объем продаж ежегодно рос, как минимум вчетверо, но в абсолютном отношении это все равно был мизер. Именно в это время начинают появляться первые светодиодные цифровые дисплеи (табло).

Фосфид галлия

Параллельно развивалась технология производства фосфида галлия. Можно даже так сказать, что каждая фирма отрасли билась над своим собственным неповторимым материалом. Фосфидом галлия занялись Лаборатории Белла. Было ли это продуманной стратегией? Авторы так не считают, поскольку фирмы боялись взаимного поглощения. Хотя настораживает факт однотипности.

Читайте также:  Электроёмкость конденсатора

Светодиоды фосфида галлия позволяли получить жёлтое и красное свечение. Белл Лабс начала свои разработки вместе со всеми, в начале 60-х. Что и наталкивает на мысль о спланированности акции. Первые публикации были независимыми и сделаны всего двумя учёными (1964 год):

  • Гриммейс;
  • Шольц.

Переходы светодиодов из фосфида галлия, легированные оловом, были названы их именами. Были получены данные, что оптические свойства значительно улучшаются внедрением примеси азота. Отжигая структуру полупроводника после её выращивания, КПД сумели повысить до 2%. Одновременно производился поиск новых цветовых качеств. Так были созданы диоды на основе фосфида галлия, дающие зелёный оттенок, но КПД их составлял 0,6%.

Однако! При том, что КПД зелёных светодиодов был ниже, из-за повышенной восприимчивости глаза к этому диапазону они казались даже более яркими, нежели красные.

КПД светодиода

Чтобы светодиод стал сверхъярким, он должен обладать большим КПД. Логика здесь элементарная. Чем выше ток, тем больше потери на омическом сопротивлении контактов. Следовательно, для получения большой яркости при низком КПД ток должен быть слишком высоким. Полупроводник не выдержит и расплавится. Недаром первый лазер работал при охлаждении до 77 К. Помимо чисто физических качеств это обеспечивало надлежащее охлаждение.

Идеальный светодиод с КПД 100% излучает один фотон на каждый инжектированный электрон. Это называется квантовым выходом. И он в идеале равен единице. В реальном светодиоде эффективность оценивается отношением мощности оптического излучения к току инжекции.

Кроме того, испущенные фотоны должны уходить в пространство. Для этого по возможности площадь p-n-перехода должна быть открытой. В реальности значительная часть фотонов так и остаётся внутри. Следовательно, каждая конструкция, помимо прочего, характеризуется оптическим выходом. Обычно этот параметр и является одним из главных лимитирующих факторов, едва достигая 50%.

Под КПД светодиода принято понимать отношение числа испущенных фотонов к подведённой мощности. Обычно на p-n-переходе падает напряжение порядка полутора вольт, а дальше ток повышается по линейному закону. Следовательно, мощность теряется на смещение запирающего слоя, излучение и нагрев омического сопротивления. На начало XXI века нормальным считался КПД светодиода в 4% (учитывая оптический выход).

Чтобы как-то повысить отдачу и получить наконец-то сверхъяркий светодиод, инженеры стали искать новые конструктивные решения.

Повышение эффективности светодиодов

Двойные гетероструктуры

Увеличение светимости диода достигается поддержанием высокой концентрации носителей. Одной из методик достижения этого является создание двойного p-n-перехода. В этом случае излучательный слой окружён полупроводниками иного типа проводимости с обеих сторон. Чтобы увеличить площадь заброса неосновных носителей. Вся конструкция выглядит, как 5-слойный сандвич:

  1. В центре находится активный излучательный слой.
  2. С обеих сторон он охватывается полупроводниками, что обусловливает наличие двух запирающих слоёв.
  3. Контакты покрывают наружные полупроводники по всей площади для улучшения растекания тока.

От толщины активной зоны зависит квантовый выход. График нелинейный и имеет ярко выраженный пологий или скошенный горб. Соответственно, значение толщины нужно выбирать из его пределов. Обычно это десятки микрон. Опыты показывают, что повышения квантового выхода можно добиться слабым легированием активной области. Количество атомов примеси обычно не превышает десяти в семнадцатой степени единиц на кубический сантиметр. В целом процесс этот сравнительно слабо изучен.

Увеличение инжекции может быть достигнуто легированием крайних слоёв. Концентрация примеси здесь, как минимум, на порядок ниже, чем в предыдущем случае, или в такое же количество раз выше. Хотя барьерные и активный слои по определению должны быть разными материалами, важно, чтобы их кристаллические решётки являлись идентичными по структуре. С увеличением рассогласования квантовый выход резко падает.