Сверхъяркий светодиод

Сверхъяркий светодиод – это рекламная уловка, эпитет, на который продавцы заманивают доверчивых покупателей. В действительности обращать внимание полагается исключительно на КПД.

Понятие яркости

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

Теперь становится понятно, что заявления фирм-производителей о сверхъярких светодиодах – исключительно рекламный трюк. Полагается оценивать продукт в комплексе, но даже потом помните – дорогой читатель – что когерентное свечение опасно для глаза. Не стоит проверять продукцию на собственном зрении.

На обычную 10-ваттную светодиодную лампочку уже больно смотреть, когда излучающая матрица светит сквозь матовое стекло. Авторы уверены, что любую представленную допустимо назвать сверхъярким светодиодом.

История развития

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

Яркое освещение

Оттуда и прилетел метеорит, оказавшийся 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 ювелир заметил, что отсутствуют характерные признаки драгоценнейшего камня на планете. Причём произошло это годы спустя.

Карборунд Генри Джозефа Раунда был искусственным. На начало XX века минерал уже научились синтезировать. По твёрдости камень уступает лишь алмазу. Исследуя кристаллический детектор для радио (подбодрённый опытом прочих исследователей, уже заимевших патенты), Генри обнаружил свечение. Он немедленно написал в редакцию журнала Электрический мир и сообщил указанные сведения:

1. При напряжении 10 В переменного тока начинают светиться образцы карборунда жёлтым.
2. По мере повышения разницы потенциалов вплоть до сетевых 110 В свечение демонстрируют все подопытные кристаллы.
3. По мере повышения напряжения в спектре, помимо жёлтого, отмечаются зелёный, оранжевый и синий цвета.
4. Отдельные материалы светятся лишь с краю, прочие демонстрируют объёмный эффект.
5. Явление не объясняется термоэлектричеством.

Свечение возникает при прямом смещении p-n-перехода. При большом приложенном напряжении в кристалл проникает немалое число неосновных носителей заряда. Процесс объясняется туннельным эффектом. Когда “заезжие гастролёры” начинают рекомбинировать с основными носителями заряда, излишек энергии превращается в свет. Так объясняется факт, что при низких напряжениях свечения Генри Джозеф Раунд не наблюдал.

Однако не все так просто. Диоды Шоттки – представленный карборундом с металлическими контактами – способны светиться и при отрицательном приложенном напряжении. Схема в точности аналогична, но при значительной разнице потенциалов происходит лавинный пробой перехода. Атомы полупроводника ионизируются разогнавшимися носителями заряда, обратная рекомбинация производится с излучением фотона света.

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

Работы Раунда повторены россиянином Лосевым в 1928 году. Учёный на кристаллическом детекторе сумел получить свечение и установил, что первые образцы светятся лишь при униполярном подключении, а для прочих направление постоянного тока не имеет значения. Попытки осмыслить факт не привели к результату. Но подтвердилось заключение Раунда, что эффект не связан с термоэлектрическим нагревом.

Началом светодиодной эры считают ранние 60-е годы, когда появились первые карборундовые плёнки. КПД первых образчиков оказался потрясающе мал и составлял 0,005%. Причина проста – карбид кремния далеко не лучший материал для изготовления сверхъярких диодов. Последнее неосуществимо на данном этапе технологии.

Какой лучше?

В начале 90-х карборунд исчез с прилавков. Последние голубые светодиоды излучали в диапазоне 470 нм с КПД 0,03%.

Уже в 50-е годы полупроводники из группы AIIBVI были неплохо изучены. Производился постоянный поиск новых технических решений. На свет появились светодиоды из полупроводников класса AIIIBV, на примере которых учителя физики поясняют явление примесной проводимости. Материалы подобного типа 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 описанного 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 штуки составляла 130 долларов. Сегодня стоимость светодиодов сильно понизилась, и арсенид галлия массово применяется для создания пультов управления, устройств связи и прочего.

Фосфорилированный арсенид галлия

КПД известных материалов оказывался 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, однородность пучка играет большую роль.

Современные технологии

Прежде речь шла о разработках преимущественно инженеров фирмы IBM, если не считать секретных проектов НАСА. В 1962 году в борьбу включилась знаменитая General Electric. Выращивая кристаллы методом газофазной эпитаксии, инженеры компании добились заметных успехов. Быстро удалось повысить КПД устройств, но когерентность излучения сильно снизилась. Цена Дженерал Электрик вдвое превышала Texas Instruments, партия вышла мизерной.

В 1968 году Монсанто выкупили права и занялись массовым выпуском светодиодов на основе фосфорилированного арсенида галлия. Объем продаж ежегодно рос как минимум вчетверо, но в абсолютном отношении оставался микроскопическим. Появляются наконец первые светодиодные цифровые дисплеи (табло).

Фосфид галлия

Параллельно развивалась технология производства фосфида галлия. Каждая фирма отрасли билась над собственным неповторимым материалом. Фосфидом галлия занялись Лаборатории Белла. Вероятно, это не было продуманной стратегией, фирмы боялись взаимного поглощения. Хотя настораживает факт однотипности.

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

• Гриммейс;
• Шольц.

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

Однако! КПД зелёных светодиодов ниже, но из-за повышенной восприимчивости глаза к зеленому диапазону они казались ярче красных.

КПД светодиода

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

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

Испущенные фотоны должны уходить в пространство. Для этого по возможности площадь p-n-перехода открывается. В реальности значительная часть фотонов остаётся внутри. Следовательно, каждая конструкция, помимо прочего, характеризуется оптическим выходом. Обычно параметр становится главным лимитирующим фактором, 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 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. Методикой достижения становится создание двойного p-n-перехода. В этом случае излучательный слой окружён полупроводниками иного типа проводимости с обеих сторон, увеличивая площадь заброса неосновных носителей. 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 демонстрирует ярко выраженный пологий или скошенный горб. Соответственно, значение толщины требуется выбирать из его пределов, составляющих десятки микрон. Опыты показывают, что повышения квантового выхода добиваются слабым легированием активной области. Количество атомов примеси не превышает десяти в семнадцатой степени единиц на кубический сантиметр. В целом процесс сравнительно слабо изучен.

Увеличение инжекции достигается легированием крайних слоёв. Концентрация примеси здесь, как минимум, на порядок ниже, чем в предыдущем случае, либо в аналогичное количество раз выше. Хотя барьерные и активный слои по определению представлены разными материалами, важно, чтобы их кристаллические решётки оказывались идентичными по структуре. С увеличением рассогласования квантовый выход резко падает.