поняття яскравості
Мало вивчення характеристик світлодіода в даному питанні, тому що накладає свої обмеження фізіологія людини. Чутливість ока до хвиль зеленого кольору на порядок перевищує той же параметр для червоного. А значить, мало обчислити щільність потоку потужності, мало переконатися, що тепловий режим не виходить за рамки дозволеного, завдяки гарному ККД. Потрібно ще й накласти отриманий результат на особливості людського зору.
Історія розвитку питання
Більшість діодів працює за рахунок ефекту люмінесценції. Вона була відкрита на початку XX століття. Багато хто вважає, що перші світлодіод виготовив ненавмисно Генрі Джозеф Раунд, коли оцінював випрямляють властивості карбіду кремнію. Примітно, що це мінерал, карборунд, на планеті Земля практично не зустрічається, хоча дуже поширений в зоряних атмосферах.
Саме звідти і прилетів метеорит, який виявився не по зубам Юджину Ачісону в 1891 році. Витівка землекопа цілком зрозуміла - він вирішив, що виявив на загиблого астероїді алмази і захотів нишком продати знахідку. Але коли показав виріб ювеліра, той помітив, що відсутні характерні ознаки одного з найдорожчих каменів на планеті. Причому сталося це через роки. Мабуть, Юджин збирав на пенсію, і заначка довгий час припадала пилом в його засіках.
Що стосується карборунда Генрі Джозефа Раунду, він був штучним. На початок XX століття мінерал вже навчилися синтезувати. За своєю твердості він, дійсно, поступається лише алмазу. Досліджуючи свій кристалічний детектор для радіо (подбодрённий досвідом інших дослідників, вже заімевшіе патенти), Генрі і виявив світіння. Він негайно написав до редакції журналу Електричний світ і повідомив таку інформацію:
- При напрузі 10 В змінного струму починають світитися деякі зразки карборунда жовтим.
- У міру підвищення різниці потенціалів аж до мережевих 110 В світіння демонструють практично всі піддослідні кристали.
- У міру підвищення напруги в спектрі, крім жовтого, можна спостерігати зелений, помаранчевий і синій кольори.
- Деякі матеріали світяться лише з краю, інші демонструють об'ємний ефект.
- Саме явище навряд чи може пояснюватися термоелектрикою.
Світіння виникає при прямому зміщенні p-n-переходу. При досить великому доданому напрузі в кристал проникає значна кількість неосновних носіїв заряду. Цей процес пояснюється тунельним ефектом. Коли заїжджі гастролери починають рекомбинировать з основними носіями заряду, надлишок енергії перетворюється в світло. Саме цим і пояснюється той факт, що при низькій напрузі світіння Генрі Джозеф Раунд не спостерігав.
Однак не все так просто. Діоди Шотткі - а карборунд з металевими контактами був саме їм - можуть світитися і при негативному доданому напрузі. Схема в точності така ж, але при значній різниці потенціалів спостерігається лавинний пробій переходу. Атоми напівпровідника ионизируются розігнати носіями заряду, і зворотна рекомбінація знову ж проводиться з випромінюванням фотона світла.
Увага! Сучасні світлодіоди випромінюють тільки при прямому зміщенні p-n-переходу, коли на анод подається позитивний потенціал.
Роботи Раунду були повторені нашим співвітчизником Лосєвим в 1928 році. Він також на кристалічному детекторі зумів отримати світіння і встановив, що одні зразки світяться тільки при уніполярному підключенні, а для інших напрямок постійного струму не має значення. Він намагався осмислити цей факт, але ні до чого не прийшов. Однак підтвердив висновок Раунду про те, що ефект ніяк не пов'язаний з термоелектричним нагріванням.
Читайте також: Плавкий запобіжник
Початком світлодіодним ери можна вважати ранні 60-ті роки, коли з'явилися перші карборундові плівки. ККД перших зразків був приголомшливо малий і становив близько 0,005%. А вся справа в тому, карбід кремнію є далеко не найкращим матеріалом для виготовлення надяскравих діодів. Точніше кажучи, останнім взагалі не можна здійснити на даному етапі технології.
А який краще?
Було б дивно, якщо перший світлодіод був зроблений відразу ж з кращого на світі матеріалу. На початку 90-х карборунд взагалі зник з прилавків, так що не намагайтеся більше шукати впали метеорити. Останні блакитні світлодіоди випромінювали в діапазону 470 нм з ККД близько 0,03%.
Уже в 50-ті роки напівпровідники з групи AIIBVI були непогано вивчені. І проводився постійний пошук нових технічних рішень. На світ з'явилися світлодіоди з напівпровідників класу AIIIBV, на прикладі яких вчителі фізики пояснюють явище примесной провідності. Матеріали цього типу повністю штучного походження, в природі не виявлено. Легіруя галій миш'яком, вчені отримували нове поле для досліджень. Домішки вводилися на підкладку рідкофазної або газофазной епітаксії.
До 1962 року вже з'явилися на лазери на основі цього матеріалу. Їм пророкували велике майбутнє в космічній галузі, годилися для зв'язку і вимірювань. Серійний випуск світлодіодів на основі арсеніду галію зробила компанія Texas Instruments. Ціна однієї штуки становила 130 доларів. Сьогодні вартість світлодіодів значно нижче, і арсенід галію широко застосовується для створення пультів управління, пристроїв зв'язку і багато чого іншого.
Фосфорілірованний арсенід галію
ККД відомих матеріалів був ще занадто малий для створення над'яскравих світлодіодів. Так Холоньяк і Бевака прийшли в 1962 році до необхідності фосфорилювання арсеніду галію для поліпшення характеристик. Особливістю нових приладів стала висока когерентність випромінювання. Це означало, що апаратуру зв'язку чекають подальші удосконалення, тому що однорідність пучка грає в цьому випадку велику роль.
До цих пір мова йшла про розробки переважно інженерів фірми IBM, якщо не брати до уваги секретних проектів НАСА. Але в 1962 році в боротьбу включилася знаменита General Electric. Вирощуючи кристали методом газофазной епітаксії, інженери компанії домоглися помітних успіхів. Примітно те, що швидко вдалося підвищити ККД пристроїв, але когерентність випромінювання при цьому сильно знизилася. Ціна Дженерал Електрик вдвічі перевищувала Texas Instruments, тому партія вийшла зовсім мізерною.
У 1968 році Монсанто викупили права і зайнялися масовим випуском світлодіодів на основі фосфорилированного арсеніду галію. Після цього обсяг продажів щорічно зростав, як мінімум вчетверо, але в абсолютному відношенні це все одно був мізер. Саме в цей час починають з'являтися перші світлодіодні цифрові дисплеї (табло).
фосфід галію
Читайте також: Електромагнітний пускач
Переходи світлодіодів з фосфіду галію, леговані оловом, були названі їхніми іменами. Були отримані дані, що оптичні властивості значно поліпшуються впровадженням домішки азоту. Відпалу структуру напівпровідника після її вирощування, ККД зуміли підвищити до 2%. Одночасно проводився пошук нових колірних якостей. Так були створені діоди на основі фосфіду галію, що дають зелений відтінок, але ККД їх становив 0,6%.
Однак! При тому, що ККД зелених світлодіодів був нижче, через підвищеної сприйнятливості очі до цього діапазону вони здавалися навіть більш яскравими, ніж червоні.
ККД світлодіода
Щоб світлодіод став досить яскравим, він повинен володіти більшим ККД. Логіка тут елементарна. Чим вище струм, тим більше втрати на омічному опорі контактів. Отже, для отримання великої яскравості при низькому ККД ток повинен бути занадто високим. Напівпровідник не витримає і розплавиться. Недарма перший лазер працював при охолодженні до 77 К. Крім чисто фізичних якостей це забезпечувало належне охолодження.
Ідеальний світлодіод з ККД 100% випромінює один фотон на кожен інжектовані електрон. Це називається квантовим виходом. І він в ідеалі дорівнює одиниці. У реальному светодиоде ефективність оцінюється відношенням потужності оптичного випромінювання до току інжекції.
Крім того, випущені фотони повинні йти в простір. Для цього по можливості площа p-n-переходу повинна бути відкритою. В реальності значна частина фотонів так і залишається всередині. Отже, кожна конструкція, крім іншого, характеризується оптичним виходом. Зазвичай цей параметр і є одним з головних факторів, що лімітують, ледь досягаючи 50%.
Під ККД світлодіода прийнято розуміти відношення числа випущених фотонів до підведений потужності. Зазвичай на p-n-переході падає напруга близько півтора вольт, а далі ток підвищується за лінійним законом. Отже, потужність втрачається на зміщення замикаючого шару, випромінювання і нагрів провідникові. На початок XXI століття нормальним вважався ККД світлодіода в 4% (з огляду на оптичний вихід).
Щоб якось підвищити віддачу і отримати нарешті над'яскравих світлодіодів, інженери стали шукати нові конструктивні рішення.
Підвищення ефективності світлодіодів
подвійні гетероструктури
Збільшення світності діода досягається підтриманням високої концентрації носіїв. Однією з методик досягнення цього є створення подвійного p-n-переходу. В цьому випадку радіаційний шар оточений напівпровідниками іншого типу провідності з обох сторін. Щоб збільшити площу закидання неосновних носіїв. Вся конструкція виглядає, як 5-шаровий сандвіч:
- У центрі знаходиться активний радіаційний шар.
- З обох сторін він охоплюється напівпровідниками, що обумовлює наявність двох замикаючих шарів.
- Контакти покривають зовнішні напівпровідники по всій площі для поліпшення розтікання струму.
Від товщини активної зони залежить квантовий вихід. Графік нелінійний і має яскраво виражений пологий або скошений горб. Відповідно, значення товщини потрібно вибирати з його меж. Зазвичай це десятки мікрон. Досліди показують, що підвищення квантового виходу можна домогтися слабким легированием активної області. Кількість атомів домішки зазвичай не перевищує десяти в сімнадцятій ступеня одиниць на кубічний сантиметр. В цілому процес цей порівняно слабо вивчений.
Збільшення інжекції може бути досягнуто легированием крайніх шарів. Концентрація домішки тут, як мінімум, на порядок нижче, ніж в попередньому випадку, або в таку ж кількість разів вище. Хоча бар'єрні і активний шари по визначенню повинні бути різними матеріалами, важливо, щоб їх кристалічні решітки були ідентичними за структурою. Зі збільшенням неузгодженості квантовий вихід різко падає.