СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2013

Существует ли взаимосвязь между цветом свечения светодиода и сроком его службы? Да, взаимосвязь существует. Белые светодиоды имеют меньший срок службы. Основой светодиода белого цвета свечения является структура InGaN (синий цвет) и нанесённый сверху люминофор (специальный состав), излучающий в широком ди% апазоне спектра и имеющий макси% мум в его жёлтой части. Человечес% кий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Это на данный момент наиболее простой и дешёвый способ получения белого света. Однако люминофор ухудшает теп% ловые характеристики светодиода, по% этому срок службы сокращается. Де% градация люминофора приводит не только к уменьшению яркости свето% диода, но и к изменению оттенка его свечения. При сильной деградации люминофора хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано как с изменением свойств люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доми% нировать собственное излучение крис% талла. Если же говорить о сроках службы светодиодов с различными типами подложек, то более стойкими к дегра% дации параметров являются AlGaInP% и AeGaAs%светодиоды, т.е. красные и жёлтые; менее стойкими – InGaN, т.е. зелёные, синие и белые. Большинство InGaN/GaN%светодиодов изготавлива% ется на сапфировых подложках, кото% рые являются диэлектриками, что при% водит к появлению остаточного элек% трического заряда и делает светодиод более чувствительным к повреждени% ям, вызванным электростатическим разрядом и перегрузкой. Когда эффективность светодиодов достигнет 60…70%? Каковы перспек тивы повышения КПД светодиодов и модулей? Давайте уточним, что эффектив% ностьюмыможем считать как светоот% дачу (отношение светового потока к потребляемой энергии), так и стои% мость одного люмена (отношение све% тового потока к цене светодиода или светодиодного источника света). Для улучшения обеих характеристик эф% фективности светодиодов существует несколько путей. Прежде всего, это внутренний и внешний квантовый выход кристалла. На сегодняшний день высокими ве% личинами для внешнего квантового выхода считаются 35% для синих све% тодиодов и 55% для красных. Внутрен% ний выход теоретически можно при% близить к 100%. Стало быть, только за счёт повышения внешнего квантово% го выхода можно увеличить световую отдачу светодиодов в 2–3 раза и, соот% ветственно, снизить цену одного лю% мена. С этой целью учёные ищут но% вые, более согласованные с кристал% лической решёткой полупроводника материалы подложки. Сейчас, как из% вестно, используется сапфир А1203. Карбид кремния SiC подошёл бы луч% ше, поскольку у него и постоянная ре% шётки прекрасно согласована с посто% янной решетки GaN, и высокая тепло% проводность создаёт преимущества для отвода тепла, но он чрезвычайно дорог. Возможно, удастся сочетать де% шёвый кремний с буферными прос% лойками из карбида кремния. Это поз% волило бы совместить технологиюоп% тоэлектронных устройств на основе нитридов с планарной технологией производства кремниевых кристаллов. Но существует проблема, которуюпри% дётся решить: карбид кремния непро% зрачен, а значит, подложка не будет просветной, как сейчас, – её придется делать зеркальной. Существуют возможности для улуч% шения конструкции светодиода (см. рис. 6) и состава люминофора, но во втором случае максимальный выиг% рыш невелик – речь идёт о единицах процентов. Далее, для усиления светового пото% ка можно было бы увеличить число электронно%дырочных пар, реком% бинирующих в зоне p–n%перехода в единицу времени (см. рис. 7). Для это% го необходимо увеличить ток через кристалл. Какие тут существуют огра% ничения? Верхний предел плотности тока устанавливает, во%первых, снижение срока службы светодиода, а во%вто% рых – уменьшение квантового выхо% да из%за возрастания числа дефектов кристаллической решетки, на кото% рых пары рекомбинируют без излу% чения. В обоих случаях причиной является нагрев кристалла и p–n%пе% рехода. Таким образом, большое зна% чение приобретают хороший теп% лоотвод, низкоомные контакты и переход на более «горячий» нитрид галлия взамен арсенида галлия. Все эти факторы позволяют повысить ток и мощность на одну лампу приблизи% тельно в семь раз. Если плотность тока уже максималь% ная, останется возможность увеличить площадь кристалла. Сейчас использу% ются кристаллы площадью до 1 мм 2 . Дальше пока пойти не удается, потому что на боB льших контактах возникает неравномерность распределения плот% ности тока, локальный перегрев и, как следствие, разрушение кристалла. Ис% пользование контактов с гребенчатой структурой представляет собой проб% лему, потому что на контактах теряет% ся свет. На сегодняшний день выход найден в использовании многокрис% тальных светодиодов. Помимо повышения КПД самих све% тодиодов, можно и нужно увеличивать срок службы производимых светоди% одных светильников. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2013 Алюминиевая (медная) основа Катод Корпус Кристалл Пластиковая линза Силикон Анод Рис. 6. Конструкция светодиода p + – n Электроны Рекомбинация Дырки Свет Рис. 7. Схема p–n перехода Ф3 = Ф2*Ко Ф2 = Ф1*К1 Ф1 = Ф0*К1 T = 85°C Рис. 5. Факторы, влияющие на снижение светового потока светодиода