Светодиод зеленый характеристики: АЛ307ГМ, Светодиод зеленый 50° d=5мм 1.5мКд 567нМ, Планета

Характеристики светодиода LED SMD 3528, параметры

Ярким представителем первого поколения сверхярких светодиодов является модель SMD 3528. На его базе изготавливались первые светодиодные ленты. Впервые на основе этого корпуса были реализованы диоды с тремя кристаллами, трехцветные RGB, имеющие красный, синий и зеленые цвета. RGB вариант визуально легко отличить от обычного одноцветного, у трехцветного четко видно три секции под силиконовым компаундом и на нем нет желтоватого люминофора, который преобразует синий цвет в белый. Следующей моделью в линейке эволюции технологий стал светодиод SMD 5050, основанный на 3 кристаллах 3528.

Содержание

• 1. Основные характеристики СМД 3528
• 2. Подробные параметры

Основные характеристики СМД 3528

Параметры приведены для светодиода цветовой температурой 6000К-7000К

Параметр
Световой поток	5 Люмен
Мощность	0,1 Вт
Рабочая температура, градусов	-40 до + 85
Номинальный ток, мА	25
Напряжение питания, Вольт	2.8 – 3,2
Длина и ширина, мм	3,5 x 2,8
Угол свечения, градусов	120

Если вы видите, какое либо светодиодное изделие на светодиодах SMD 3528, предполагающее большой световой поток, то оно обладает явно низкими техническими характеристиками, и вам следует найти такое же изделия на более современных диодах, например SMD 5630 или SMD 5730.

Светодиодная лента на СМД 3528

На начало 2015 года, большое количество производителей стали выпускать мощные светодиоды на базе широко известных корпусов. В светодиодной лампе на 10 Ватт мне попадались LED диоды с корпусом 3528 или SMD 2835, мощность которых составляла 1 Вт. Модернизированный вариант внешне не отличить от старого, он отличается наличием нового кристалла, с яркостью до 148 Люмен на Ватт. Изделия с модернизированными вариантами относятся к более высокой ценовой категории и в бюджетных светодиодных лампах для дома их не встретить. В светодиодных лентах 3528 тоже установлены стандартные на повышенной мощности.

Подробные параметры

Зеленый светодиод характеристики. Существуют следующие основные характеристики светодиодов:

Зеленый светодиод характеристики. Существуют следующие основные характеристики светодиодов:

Эффективность (светоотдача).

Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:

• лампочка накаливания 8-12 Лм/Вт;
• люминесцентные (энергосберегающие) лампы 30-40 Лм/Вт;
• современные светодиоды 120-140 Лм/Вт;
• газоразрядные лампы (ДРЛ) 50-60 Лм/Вт.

Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

Цветовая температура.

Рис.3 Шкала световых температур

Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.

2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания.
4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет.( white neutral или сокращенно NW)
6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)

По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими.Нашей компание используются светодиоды с нейтральным светом .Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета : красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB(полноцветный светодиод).

Мощность светодиодов.

Малой мощности: до 0,5 Вт (20-60 мА).

Рис.4 Маломощные индикаторные светодиоды

Рис.5 Маломощные smd (slt) светодиоды

Средней мощности: 0,5-3 Вт (100-700 мА).

Рис.6 Светодиоды SEOULSEMICONDUCTOR, Корея, 0,5 Вт (150 мА)

Рис.7 Светодиоды Epistar , Тайвань, 1 Вт , 300 мА

Рис.8 Светодиоды NICHIA, Япония, 1 Вт, 300 мА

Большой мощности: более 3-х Вт (1000 мА и более).

Ик светодиоды характеристики. Светодиоды инфракрасного излучения

Светодиоды, как и любые другие приборы освещения, на сегодняшний день имеют большое разнообразие форм и цветов. Они могут выдавать световой поток любого оттенка. Что касается инфракрасных светодиодов, то их излучение находится на границе восприятия глаз человека. Данная особенность влияет на сферу их применения.

Светодиоды инфракрасного излучения

Технические характеристики

Они могут вырабатывать волны в диапазоне 0,74 – 2 000 мкм. Свет в этих границах – понятие условное, но это и не излучение. Данный спектр доступен не всем людям.

Исходя из вышесказанного, стандартные характеристики светодиодов к ним не подходят. Тут больше применимы такие параметры, как:

1. Мощность генерируемого излучения.
2. Интенсивность светового потока. С помощью данного параметра излучающая система собирает и направляет излучение. Измеряется в ваттах и стерадианах.

Многие виды деятельности не нуждаются в постоянной подаче энергии, поэтому становится возможным генерировать импульсный сигнал. При помощи схемы можно значительно увеличить мощность.

Направления по развитию инфракрасных светодиодов

Производители постоянно сталкиваются со следующими проблемами: чтобы создать мощный диод, нужен большой кристалл, но, к сожалению, цена в этом случае значительно вырастает. При скреплении двух кристаллов в один увеличивается зона нерабочей площади, что влечет за собой потерю мощности. При работе мощного диода выделяется большое количество энергии, а соответственно и тепла, что ведет к перегреву схемы.

Светодиоды различного спектра

Есть следующие варианты решения таких проблем:

1. На данный момент возможно делать кристаллы размером до 1 мм2. Это позволяет увеличить силу тока за счет уменьшения сопротивления.
2. Постоянно идет разработка более новых и современных отражателей. Их КПД значительно больше. Они собирают излучение боковых граней и направляют его в центр.
3. Также все время проводится работа над оптическими системами с большим коэффициентом преломления. Они позволяют собрать в одно целое излучение с боков рассеивателя.

Применение

Силы, потраченные на ликвидацию проблем, описанных выше, уходят не напрасно. Светодиоды инфракрасного излучения отдельно не используются. Их применяют в составе других схем и оборудований, сфера использования которых все увеличивается. Именно поэтому нужны диоды, мощность которых становится больше, а цветовой спектр расширяется.

Наиболее распространено применение светодиодов для работы в темное время суток. Рассмотрим прибор ночного видения. Чем мощнее в нем будет светодиод, тем больше радиус возврата полноценного изображения. Но здесь еще можно применить импульсы, чего не скажешь про

Высококлассные продукты цифровой техники диктуют спрос на рынке. Они используются человеком каждый день. В 2007 г. опция ночной съемки была большой редкостью, а сейчас она – неотъемлемая часть техники. Все это благодаря развитию инфракрасных светодиодов.

Применение инфракрасного излучения в аграрной промышленности

Мнение практиков

Высококвалифицированные инженеры связывают эти результаты с определенной проблемой. Потому как достижение высокой мощности сопровождается перегревом. Малейший сбой в работе системы ведет к потере эффективности прибора и даже выходу из строя кристалла.

Применяя импульсную систему, нужно придерживаться постоянного напряжения. Малейшее отклонение от нормы приведет к некачественному излучению. К таким системам нужно относиться очень трепетно и обслуживать регулярно.

Сфера применения светодиодов будет постоянно расширяться, так как спрос на такие приборы растет с каждым днем, а характеристики со временем улучшаются. Основную нишу по продаже этой продукции на рынке заняли китайцы. Их инфракрасные светодиоды не всегда качественные. Остается надеяться, что рыночная конкуренция со временем заставит продукцию подешеветь, а качество ее будет только расти.

Основные характеристики светодиодов. Характеристики светодиодов

Основные характеристики светодиодов подразделяются на электрические и световые. С одной стороны, электрические – это рабочий ток, напряжение, мощность. С другой стороны, световые характеристики светодиодов – световой поток, сила света (эффективность). А также цветовая температура, габариты и угол рассеивания.

Рабочий ток светодиодов

Светодиоды работают только от определенной силы тока. Эта характеристика наиболее важна для работоспособности светодиода. Даже небольшое превышение рабочей силы тока приведет к быстрой деградации светодиода. А в результате выходу его из строя. Чуть более высокое превышение силы тока ведет к мгновенному перегоранию светодиода.

Ток светодиодов, несомненно, зависит от их мощности. Более мощные светодиоды работают на более высоком токе. В светодиодных лампах и светильниках устанавливаются драйвера. Они ограничивают ток именно до тех параметров, которые нужны для светодиодов, установленных в этих приборах. Часто требуется подключить светодиод отдельно. В этом случае необходимо знать его характеристики. Для того чтобы ограничить ток соответствующим драйвером, токоограничивающим резистором или конденсатором.

Напряжение светодиодов

Рабочее напряжение светодиодов зависит от полупроводников и других химических элементов, использованных при изготовлении этих светодиодов. Применение разных типов материалов для изготовления существующих видов светодиодов ведет к излучению света различных цветов. То есть рабочее напряжение можно определить по цвету светодиода. Иначе говоря, светодиоды разных цветов имеют разное рабочее напряжение.

Для питания светодиодных лент и светильников обычно используются драйвера или блоки питания. Как правило у них на выходе 12 вольт постоянного тока. К примеру. От такого источника можно запитать цепочку из последовательно соединенных светодиодов с рабочим напряжением 3 вольта. Исключим в этом примере падение напряжения на токоограничивающем резисторе. Безусловно, такая последовательная цепь может состоять только из четырех светодиодов. Пятый светодиод, если включить его в эту цепь, работать не будет. Каждый из светодиодов, грубо говоря, забирает из 12 вольт питания по 3 вольта.

Эту характеристику светодиода называют напряжением падения. В данном случае у каждого из светодиодов напряжение падения составляет 3 вольта. Другими словами. Падение напряжения – это напряжение, возникающее на выводах светодиода при протекании через него прямого рабочего тока. Эту характеристику иногда и называют рабочим напряжением светодиода. Хотя, строго говоря, таких характеристик, как напряжения питания или рабочее напряжение, у светодиода нет. Как впрочем и у любого диода.

Мощность светодиодов

Мощность светодиода зависит от его рабочего тока и падения напряжения на нем. Падение напряжения разных светодиодов колеблется в диапазоне, примерно, 1,5 – 4 вольта. Рабочий ток индикаторных и маломощных светодиодов обычно составляет 15 – 20 мА. Ток мощных осветительных светодиодов может быть 150, 350, 750 мА и доходить до 1А.

Часто для повышения яркости светодиода используют повышение его рабочего тока до очень больших величин. При этом необходимо помнить.  Применение для светодиодов такого большого тока ведет к их чрезмерному нагреву. А также быстрой деградации и выходу из строя. Хотя этого можно избежать. При условии, что питании светодиодов большим током, для повышения их яркости, использоваться система охлаждения. Для этого применяются достаточно массивные радиаторы из алюминия или даже меди. Более того, в некоторых случаях применяется принудительный обдув воздухом с помощью вентилятора-кулера. Хорошее охлаждение светодиодов при их работе на большом токе снижает риск потери их работоспособности. Однако, но не исключает его совсем.

P=U×I

Чтобы определить мощность (P) светодиода необходимо умножить напряжении (U) на силу тока (I). К примеру, мы возмем максимальные для светодиодов 4 вольта и 1 ампер. В результате мы получим самый мощный светодиод мощностью 4 Ватта. Безусловно, это будет осветительный светодиод. Несомненно, работающий от тока с не характерной, искусственно завышенной для светодиодов, силой.

Поэтому нужно понимать. Если разговор идет о 10 ваттном или даже 100 ваттном светодиоде. Несомненно, имеется в виду лампа или светильник. Они состоят из нескольких штук или десятков штук светодиодов. Или же речь идет о светодиодной сборке, например, COB типа. Иными словами, 100 кристаллов-светодиодов, каждый мощностью 1 Ватт, припаиваются на единую плату. И все это заливается слоем люминофора. Так и получается светодиод мощностью 100 Ватт.

Технические характеристики и параметры SMD 3528, 5050, 5630, 5730

Что такое smd светодиоды? Surface Mounted Device – радиоэлементы, не имеющие дополнительных монтажных отводок. Они крепятся непосредственно на поверхность монтажной платы.

Этот тип сверхъярких светодиодов широко используется в осветительных конструкциях. Благодаря отсутствию корпуса увеличивается плотность монтажа и существенно снижается вес конечной конструкции.

Расшифровка маркировки светодиодов

Рассмотри маркировку на примере SMD 3528 матрицы теплого белого света.

LED-WW-SMD3528

• LED – светодиод;
• WW – warm white – тёплый белый;
• SMD – диод для поверхностного монтажа;
• 3528 – размеры матрицы.

Многие производители пытаются уникализировать свой товар различными уловками. Так появляются серии 5636, 5736. Характеристики их полностью идентичны базовым моделям, а последняя цифра говорит лишь о незначительных изменениях типоразмера.

Технические характеристики SMD 3528 (datasheet)

SMD 3528 – однокристальная матрица с малым потреблением тока и относительно небольшой яркостью. Но именно благодаря этому можно конструировать любую подсветку не заботясь о дополнительном теплоотводе. Эта сборка применяется в лентах ночного освещения, в системах подсветки рекламных лайтбоксов, светящихся указателей.

В варианте (RGB) в матрице используется три кристалла.

Размеры SMD 3528

Типоразмеры 3528

Оригинальный datasheet SMD 3528 можете скачать по ссылке.

Технические характеристики SMD 5050 (datasheet)

SMD 5050 – трехкристальная матрица. Мощность светодиода 5050 пропорциональна трём матрицам 3528, помещенных в один корпус. 5050 применяется в системах поверхностного монтажа, где требуется повышенная яркость подсветки при ограниченной площади светоизлучателя.

Размеры SMD 5050

Размеры 5050

Оригинальный datasheet SMD 5050 можете скачать по ссылке.

Технические характеристики SMD 5630 и 5730 (datasheet)

Сравнительные таблицы параметров

Общая таблица технических характеристик 3528, 5050, 5630, 5730:

Сравнительная таблица технических характеристик 3528, 5050, 5630, 5730

Тип светодиода различают по строению кристалла и цветности:

Правила подключения

Используется классическая связка токоограничитель-светодиод. По такой схеме подключаются абсолютно все монокристальные конструкции. Разница лишь в номинальных характеристиках токоограничивающего элемента (подробнее про расчет резистора для светодиода).

Исключение представляет светодиоды с тремя кристаллами на светодиодной матрице.

Трехкристальная SMD матрица, например, в серии 5050, имеет три анода и три катода. Подключается она как три самостоятельных элемента. Для RGB модели 5050 характеристики в datasheet прописаны для каждого диода, так как у них различные параметры энергопотребления.

Светодиоды 5050 — схема включения

Такие требования к подключению вызваны тем, что даже у абсолютно одинаковых кристаллов будут различия в токе питания и подключение без токоограничителя попросту выведет один из них из строя.

ЗАПОМНИТЕ!

1. Не рекомендуется подключать любые модели светодиодов к источнику питания без резистора. При использовании одного резистора допустимо только последовательное подключение одного типа светодиодов.
2. В случае использования трехкристальный диодов, каждый канал подключается через отдельный резистор и соединяется с таким же диодом в следующем модуле.
3. Не подключайте светодиоды с разными нагрузочными характеристиками. Простыми словами не подключайте вместе 3528 и 5050.
4. Категорически противопоказано использовать резисторы с сопротивлением меньше номинального. Это увеличит нагрузочный ток светодиода и сократит срок его службы.

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)

Материалы по теме:

Светодиод АЛ 307 — описание, характеристики, чертежи и фото производства «Планета-СИД»

Светодиод 5 мм aAO.336.076ТУ

Характеристики и модификации

тип type	цвет свечения emission color	цвет корпуса case color	длина волны wave-length nm	cила света luminous intensity min Iv, mcd	прямой ток forward current If, mA	прямое напряжение forward voltage max Vf, V	угол angle 2φ 50%Iv deg.
АЛ307 БМ	красный red	красный с диспергатором red diffused	655	0,9	10	2,0	50
АЛ307 КМ				2,0
АЛ307 ЛМ				6,0
АЛ307 ТМ	оранжевый orange	оранжевый с диспергатором orange diffused	610	0,4	10	2,4	50
АЛ307 РМ				1,5
АЛ307 ММ				6,0
АЛ307 ДМ	желтый yellow	желтый с диспергатором yellow diffused	590	0,4	10	2,4	50
АЛ307 ЕМ				1,5
АЛ307 ЖМ				6,0
АЛ307 ВМ	зеленый green	зеленый с диспергатором green diffused	567	0,4	20	2,4	50
АЛ307 ГМ				1,5
АЛ307 НМ				6,0
АЛ307 ПМ				16,0

Светодиод КИПД 66 АДБК.432220.773ТУ — описание, характеристики, чертежи и фото производства «Планета-СИД»

Светодиод 3 мм

Характеристики и модификации

тип type	цвет свечения emission color	цвет корпуса case color	длина волны wave-length nm	cила света luminous intensity min Iv, mcd	прямой ток forward current If, mA	прямое напряжение forward voltage max Vf, V	угол angle 2φ 50%Iv deg.
КИПД66 А-К	красный red	красный c диспергатором red diffused	655	1	10	2,0	50
КИПД66 Б-К				2,5
КИПД66 В-К				4,0
КИПД66 Г-К				10,0	20
КИПД66 Д-К				15,0
КИПД66 Е-К				20,0
КИПД66 А-Л	зеленый green	зеленый c диспергатором green diffused	567/572	1,0	10	2,4	50
КИПД66 Б-Л				2,5
КИПД66 В-Л				4,0
КИПД66 Г-Л				10,0	20
КИПД66 Д-Л				15,0
КИПД66 Е-Л				20,0
КИПД66 Ж-Л				30,0
КИПД66 И-Л				50,0
КИПД66 А-Ж	жёлтый yellow	жёлтый c диспергатором yellow diffused	590	1,0	10	2,4	50
КИПД66 Б-Ж				2,5
КИПД66 В-Ж				4,0
КИПД66 Г-Ж				10,0	20
КИПД66 Д-Ж				15,0
КИПД66 Е-Ж				20,0
КИПД66 А-Р	оранжевый orange	оранжевый c диспергатором orange diffused	610	1,0	10	2,4	50
КИПД66 Б-Р				2,5
КИПД66 В-Р				4,0
КИПД66 Г-Р				10,0	20
КИПД66 Д-Р				15,0
КИПД66 Е-Р				20,0
КИПД66 И8-Л	зеленый green	зеленый c диспергатором green diffused	525	50	20	4,0	50
КИПД66 К8-Л				75
КИПД66 Л8-Л				100
КИПД66 И9-Л	зелено-голубой green-blue	зелено-голубой c диспергатором green-blue diffused	505	50	20	4,0	50
КИПД66 К9-Л				75
КИПД66 Л9-Л				100
КИПД66 И3-Г	голубой blue	голубой c диспергатором blue diffused	470	50	20	4,0	50
КИПД66 К3-Г				75
КИПД66 Л3-Г				100
КИПД66 И3-Б	белый white	белый c диспергатором white diffused		50	20	4,0	50
КИПД66 К3-Б				75
КИПД66 Л3-Б				100
КИПД66 ж-к	красный red	беcцветный прозрачный water clear	655	30,0	20	2,0	20
КИПД66 И-К				50,0
КИПД66 К-К				100,0
КИПД66 Л-К				150,0
КИПД66 М-К				200,0
КИПД66 Н-К				250,0
КИПД66 П-К				300,0
КИПД66 Р-К				500,0
КИПД66 С-К				750,0
КИПД66 Т-К				1000,0
КИПД66 ж-Р	оранжевый orange	беcцветный прозрачный water clear	610	30,0	20	2,4	20
КИПД66 И-Р				50,0
КИПД66 К-Р				100,0
КИПД66 Л-Р				150,0
КИПД66 М-Р				200,0
КИПД66 Н-Р				250,0
КИПД66 П-Р				300,0
КИПД66 ж-Ж	желтый yellow	беcцветный прозрачный water clear	590	30,0	20	2,4	20
КИПД66 И-Ж				50,0
КИПД66 К-Ж				100,0
КИПД66 Л-Ж				150,0
КИПД66 М-Ж				200,0
КИПД66 Н-Ж				250,0
КИПД66 П-Ж				300,0
КИПД66 Р-Ж				500,0
КИПД66 С-Ж				750,0
КИПД66 Т-Ж				1000,0
КИПД66 К-Л	зеленый green	беcцветный прозрачный water clear	567/572	100,0	20	2,4	20
КИПД66 Л-Л				150,0
КИПД66 М-Л				200,0
КИПД66 Н-Л				250,0
КИПД66 П-Л				300,0
КИПД66 Р-Л				500,0
КИПД66 С-Л				750,0
КИПД66 Ж1-К	красный red	красный прозрачный water transparent	655	30,0	20	2,4	20
КИПД66 И1-К				50,0
КИПД66 К1-К				100,0
КИПД66 Л1-К				150,0
КИПД66 М1-К				200,0
КИПД66 Н1-К				250,0
КИПД66 П1-К				300,0
КИПД66 Р1-К				500,0
КИПД66 С1-К				750,0
КИПД66 Т1-К				1000,0
КИПД66 Ж1-Ж	желтый yellow	желтый прозрачный water transparent	590	30,0	20	2,4	20
КИПД66 И1-Ж				50,0
КИПД66 К1-Ж				100,0
КИПД66 Л1-Ж				150,0
КИПД66 М1-Ж				200,0
КИПД66 Н1-Ж				250,0
КИПД66 П1-Ж				300,0
КИПД66 Р1-Ж				500,0
КИПД66 С1-Ж				750,0
КИПД66 Т1-Ж				1000,0
КИПД66 Ж1-Л	зеленый green	зеленый прозрачный water transparent	567/572	30,0	20	2,4	20
КИПД66 И1-Л				50,0
КИПД66 К1-Л				100,0
КИПД66 Л1-Л				150,0
КИПД66 М1-Л				200,0
КИПД66 Н1-Л				250,0
КИПД66 П1-Л				300,0
КИПД66 Р1-Л				500,0
КИПД66 С1-Л				750,0
КИПД66 Т6-Л	зеленый green	зеленый прозрачный water transparent	525	1000	20	4,0	20
КИПД66 У6-Л				2000
КИПД66 Ф6-Л				3000
КИПД66 Т7-Л	зелено-голубой green-blue	зелено-голубой прозрачный water transparent	505	1000	20	4,0	20
КИПД66 У7-Л				2000
КИПД66 Ф7-Л				3000
КИПД66 Т2-Г	голубой blue	голубой прозрачный water transparent	470	1000	20	4,0	20
КИПД66 У2-Г				2000
КИПД66 Ф2-Г				3000
КИПД66 С2-Б	белый white	белый прозрачный water transparent		750	20	4,0	20

Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества — Компоненты и технологии

Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов стало широкое использование светодиодов в системах отображения информации и световой сигнализации. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и возможность получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светодиодов в качестве источников света для этих устройств.

Реализация таких возможностей в этой области применения светодиодов достигается решением ряда технических задач, возникающих в процессе разработки конструкции светодиода. Анализу проблем конструкций светодиодов и кристаллов, оценке результатов собственных исследований характеристик и прогнозу тенденций повышения качества светодиодов посвящена данная статья.

Полупроводниковые источники света

Когда-то задача высечь огонь из чего бы то ни было была самой актуальной для человечества. На определенном этапе огню, полученному с помощью кремния, «было поручено» большое количество функций, одной из которых является его важная составляющая — свет. По-разному решалась эта задача в прежние века, но здесь речь пойдет о самом современном способе получения света из камня.

Основой для построения современных полупроводниковых источников света служит излучающий кванты света p-n-переход. Существует множество вариантов его создания в полупроводнике, но мы остановимся только на тех структурах, которые способны излучать кванты электромагнитного излучения при протекании через них электрического тока. Это гетероструктуры с широкозонными p-n-переходами, ширина запрещенной зоны которых более 1,9 эВ. В настоящее время созданы структуры, способные излучать во всем видимом диапазоне, в ближнем ИК и ультрафиолете. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и возможность получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светодиодов в качестве различных источников света.

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25–30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения.

На основе вышеперечисленных полупроводниковых кристаллов с излучающими p-n-переходами создано огромное множество различных светоизлучающих светодиодов.

Конструкция светодиода определяет направление, пространственное распределение, интенсивность излучения, электрические, тепловые, энергетические и другие характеристики излучения от полупроводникового кристалла. И конечно, взаимное влияние всех этих параметров друг на друга. Детальное изучение информации о светодиодах различных конструкций и назначения и от различных производителей, сравнение ее с полученной в условиях лаборатории позволило сделать некоторые важные выводы о качестве и возможностях применения светодиодов.

В последнее время светодиоды все больше претендуют на использование их в освещении, художественной подсветке, сигнальной технике. Все это стало возможным благодаря достаточно быстрому росту энергетических показателей, надежности и долговечности квазимонохроматических источников излучения. Малое потребление электрической энергии, легкость формирования диаграммы направленности с помощью различной оптики, простота управления и, самое важное, специфическое восприятие излучения глазом делают светодиоды незаменимыми для создания полноцветных экранов, вывесок и других средств представления информации в виде динамического изображения. Однако это порождает особые требования к характеристикам светодиодов. Исследования, оценки и сравнения этих характеристик и стали предметом обсуждения в данной статье.

Теория светотехнических и электрических характеристик современных светодиодов и ее связь со спецификациями производителей

Самой распространенной и обобщающей единицей, характеризующей энергетические параметры светодиода, является осевая сила света Iν[cd]. Однако эта величина абсолютно нечитаема, если не указать угол излучения Θ по некоторому уровню от Iνmax. Обычно говорится об угле излучения по уровню половины максимальной силы света — Θ_0,5Iνmax, хотя иногда указывают и силу света по уровню 0,1Iνmax — Θ_0,1Iνmax. Совокупность двух параметров — угла излучения и осевой силы света — уже дает представление (хотя и очень грубое), в каком направлении распространяется и какой будет сила света при различных углах наблюдения. Для более точного определения величины силы света при любом угле наблюдения обычно приводится двухкоординатная плоская зависимость Iν(Θ), часто называемая индикатрисой излучения (рис. 1).

Индикатриса излучения светодиода с овальной линзой в полярных координатах. Изображены вертикальная (меньший угол) и горизонтальная (больший угол) плоскости излучения (Рис. 1)

Рис. 1. Индикатриса излучения светодиода с овальной линзой в полярных координатах. Изображены вертикальная (меньший угол) и горизонтальная (больший угол) плоскости излучения

Важной энергетической характеристикой излучения светодиода является световой поток F(lm), определяющийся как интеграл всей энергии, заключенной под пространственной индикатрисой излучения [1]. Именно этот параметр производители светодиодов часто указывают в спецификациях. Особенно это касается мощных приборов с большим углом излучения и равномерным пространственным распределением, стремящимся к ламбертовскому. Однако даже в этом случае невозможно достоверно оценить распределение светового потока внутри диаграммы и, соответственно, правильно оценить силу света светодиода. Подавляющее большинство простых математических пересчетов единиц, которыми пользуются потребители светодиодной продукции, оказываются абсолютно неверными и приводят к большой ошибке в проектировании энергетических характеристик устройств на светодиодах. Особенно это заметно при попытках пересчета несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов. Поэтому стоит остановиться на некоторых методах определения светового потока и связи его с другими фотометрическими единицами, потому как только непосредственным измерением этой величины можно с большой точностью получить ее значение.

Методы определения светового потока на основе малых сферических интеграторов (радиус сферы составляет порядка 300–400 мм) широко используются в электронной промышленности. При этом светодиод располагается во входном окне сферы. При измерениях светодиодов с разным пространственным распределением силы излучения можно получить большие ошибки, так как геометрия распределения освещенности на внутренней поверхности интегратора будет различной.

Классический подход к измерениям полного светового потока с помощью сферического интегратора — это размещение источника излучения в центре сферы.

Но даже в этом случае связь с эталоном люмена, погрешности, связанные с неравномерностью спектральных и зонных характеристик внутренней поверхности сферы, требуют особого внимания. Поэтому наиболее перспективным с точки зрения точности и информативности является метод пространственного сканирования силы света — гониофотометрический метод. Используемые для этих целей приборы — гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света при повороте светодиода на известный угол. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг 3–10 угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и ее пространственное распределение. На основании этих данных рассчитывается световой поток.

Получение светового потока светодиода F с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nIν(Θ) при n ? ?) и последующим вычислением среднего значения F [2].

Распределение светового потока внутри диаграммы направленности позволяет судить о том, какая его часть попадет к наблюдателю в зависимости от угла его зрения. Следует напомнить, что МКО 1931 ггода регламентирует так называемого «стандартного колориметрического наблюдателя», угол зрения которого определен в 1 градус (рис. 2). Это обстоятельство учитывается при выборе данного параметра светоизлучающего светодиода в зависимости от его назначения. Однако часто пользуются лишь индикатрисой излучения, что не всегда верно при расчетах восприятия изображения, необходимой его интенсивности на разных расстояниях от источника и размеров самого источника излучения.

Элементарный световой поток, заключенный в телесном угле dΩ (Рис. 2)

Рис. 2. Элементарный световой поток, заключенный в телесном угле dΩ

Применительно к экрану, табло или бегущей строке как к источнику излучения совокупности светодиодов, площадью которого нельзя пренебречь по отношению к расстоянию l до наблюдателя, не выполняется закон «обратных квадратов» [3]; используется другая единица, с помощью которой характеризуется энергетика излучения такого протяженного источника — яркость Y [кд/м²].

Яркость определяется как сила света источника c произвольным распределением излучения по отношению к площади его излучающей поверхности [4].

Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (lm) к потребляемой электрической мощности (W). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов из материалов типа A^IIIB^V стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона. Современные светодиоды имеют эффективность, достигающую 20–30 lm/W, а КПД колеблется от 9–16% в приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов (GaN, In_xGa_1–xN, Al_xGa_1–xN) и до 25–55% — у светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов (InyAl_xGa_1–x–yP).

Помимо энергетических, светодиоды характеризуются колориметрическими характеристиками. Знание этих параметров особенно важно при формировании правильной цветопередачи изображения в любом устройстве отображения информации, при использовании в светосигнальной технике, при проектировании оттенков подсветки в архитектуре и т. д.

МКО 1931 года установила трехкоординатную XYZ-систему обозначения цвета любого источника излучения (рис. 3). Как уже отмечалось, светодиоды являются достаточно узкополосными (квазимонохроматическими) излучателями, полуширина спектров которых составляет всего 15–30 нм, что соответствует средней тепловой энергии электронов, поэтому координаты цветности их излучения лежат практически на линии «чистых» цветов локуса МКО 1931 года. Однако имеется и более простая единица, характеризующая цвет, — доминирующая длина волны λ_dom, получаемая как результат пересечения прямой, проходящей через точку равноэнергетического источника типа «Е» и точку с координатами цветности данного светодиода и локуса МКО 1931 г. Именно ее указывают в технических характеристиках на светодиоды монохроматического излучения. Лишь отдельные фирмы, и NICHIA в их числе, указывают координаты цветности, что, по сути, правильнее. Но для устройств отображения информации, где важность цветопередачи изображения имеет очень высокий статус, этих характеристик зачастую оказывается недостаточно. Поэтому разработчики пользуются, как правило, спектральными характеристиками светодиодов, преобразования которых могут позволить получить ряд параметров спектрального распределения излучения, позволяющих детально оценить возможность использования конкретного светодиода в формировании необходимого оттенка или гаммы цветов. Спектр излучения характеризуется, помимо указанных, такими характеристиками, как центральная λ_c и максимальная λ_max длины волн, полуширина спектра λ_1/2, интегральный коэффициент K[Lm/Wopt] [5].

Цветовой график МКО 1931 года (Рис. 3)

Рис. 3. Цветовой график МКО 1931 года

Здесь E(λ) — относительное спектральное распределение светодиода, V(λ) — относительная спектральная световая эффективность.

Так, например, для получения высококачественного изображения на светодиодном экране, работающем по схеме формирования белого из трех основных цветов, — RGB необходимо, чтобы полуширина спектра источника каждого цвета была минимальна, что обеспечит высокую чистоту цвета поля изображения.

Не менее важными также являются электрические характеристики светодиодов. Это прямые и обратные вольт-амперные характеристики (рис. 4–6), зависимости прямого напряжения U_ƒ и прямого тока I_ƒ от температуры окружающей среды, люменамперные характеристики (зависимости интенсивности излучения от прямого тока через светодиод). По этим параметрам можно определить необходимые характеристики источников питания проектируемых устройств и рассчитать режимы оконечных устройств коммутации, нагрузкой которых будут используемые светодиоды.

Типичные прямые вольт-амперные характеристики светодиодов (Рис. 4)

Рис. 4. Типичные прямые вольт-амперные характеристики светодиодов

Зависимость потребляемой мощности P_dis от прямого тока Iƒ и динамическое сопротивление R_din светодиодов. Зеленым цветом — на основе InGaN/AlGaN/GaN, красным — на основе AlInGaP/GaP (Рис. 5)

Рис. 5. Зависимость потребляемой мощности P_dis от прямого тока Iƒ и динамическое сопротивление R_din светодиодов. Зеленым цветом — на основе InGaN/AlGaN/GaN, красным — на основе AlInGaP/GaP

Типичные обратные вольт-амперные характеристики светодиодов (Рис. 6)

Рис. 6. Типичные обратные вольт-амперные характеристики светодиодов

Следует отметить, что все описанные выше характеристики светодиодов находятся в непосредственной зависимости друг от друга, поэтому, как правило, лишь их совокупность позволяет правильно судить о тех или иных параметрах светодиода. Однако наиболее точно определить соответствие заявленным производителем параметров светодиода, его качество и долговечность можно лишь проведя комплекс измерений и расчетов его характеристик.

Светоды. Основы полупроводниковой оптоэлектроники

Если в кристалле полупроводника создан p-n-переход, то есть граница между областями с дырочной (p-) и электронной (n-) проводимостью, то при положительной полярности внешнего источника тока на контакте к p-области (и отрицательной — на контакте к n-области) потенциальный барьер в p-n-переходе понижается и электроны из n-области инжектируются в р-область, а дырки из p-областив n-область. Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света hν (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, тепловым колебаниям решетки (безызлучательная рекомбинация). Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и n-областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. Но в обычных p-n-переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины — среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители заряда, пока не рекомбинируют.

Задача ограничения активной области рекомбинации решена в конце 60-х годов Алфёровым и его сотрудниками. Были предложены и практически изготовлены гетероструктуры, сначала на основе GaAs и его твердых растворов типа AlGaAs, а затем и на основе других полупроводниковых соединений (рис. 7).

Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа InGaN/AlGaN/GaN на подложке из Al₂O₃. Показана активная область (область p-n-перехода) и расположение омических контактов. (Рис. 7)

Рис. 7. Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа InGaN/AlGaN/GaN на подложке из Al₂O₃. Показана активная область (область p-n-перехода) и расположение омических контактов.

В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины.

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры (рис. 8), в которой между внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины запрещенной зоны E_g2, E_g3 расположен тонкий слой с меньшей шириной E_g*. Толщину этого слоя d можно сделать очень малой, порядка сотен или даже десятков атомных слоев. Помимо потенциального барьера обычного p-n-перехода на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов ΔE_c и дырок ΔE_ν. Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх — к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Энергетическая диаграмма p-n-гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении Uƒ. (Рис. 8)

Рис. 8. Энергетическая диаграмма p-n-гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении Uƒ.

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер ΔE_c, дырки — на барьер ΔE_ν, поэтому и те и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Применяемые материалы группы A^IIIB^V имеют диапазон ширины запрещенной зоны от 1,9 до 3,5 эВ (рис. 9). Твердые растворы AlGaInP на различных подложках излучают в диапазоне от 650 до 580 нм, структуры на основе GaN, InGaN имеют наибольший квантовый выход в пределах 540–400 нм.

Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые) (Рис. 9)

Рис. 9. Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые)

Рекомбинация электронно-дырочных пар в таких материалах происходит преимущественно с выделением кванта света. Энергия кванта hν пропорциональна ширине запрещенной зоны E_g — энергии, которую должен затратить заряд для прохода через эту зону. О вероятности излучательной рекомбинации в узкозонном слое говорит внутренний квантовый выход излучения η_i (число излучаемых фотонов на одну электронно-дырочную пару). В гетероструктурах величина i теоретически может быть близка к 100%.

Некоторые особенности конструкции и параметров светодиодов для систем отображения информации

Несмотря на большое количество модификаций конструкций излучающих кристаллов, нельзя однозначно отдать предпочтение какой-либо одной. Если не говорить о качестве самого производства кристалла и соблюдения технологических процессов при их производстве, то выбор определяется, как правило, исходя из идеи построения оптической системы светодиода, на которую работает излучающий кристалл, и задачи, которую впоследствии должен решать этот светодиод.

В устройствах отображения информации светодиоды собраны в группы (кластеры) и не работают поодиночке (рис. 10).

Фрагмент полноцветного кластерного экрана. Пиксели собраны из светодиодов основных цветов (Рис. 10)

Рис. 10. Фрагмент полноцветного кластерного экрана. Пиксели собраны из светодиодов основных цветов

Практически на всех режимах воспроизведения изображения в работе участвует подавляющее большинство светодиодов одновременно. И здесь самым важным условием выбора светодиодов для таких устройств является идентичность большого числа характеристик приборов всех используемых цветов (если речь идет о полноцветных системах) одновременно. Иначе будет нарушено условие правильной цветопередачи и линейности яркости устройства в зависимости от угла обзора.

В настоящее время одной из самых передовых является конструкция светодиода с применением овальных линз (рис. 11), формирующих пространственное распределение с существенной разницей в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Светодиоды фирмы «СОТСО» типа LO5SMQ __-BOG с овальной оптикой 110×50 град. (Рис. 11)

Рис. 11. Светодиоды фирмы «СОТСО» типа LO5SMQ __-BOG с овальной оптикой 110×50 град.

В некоторых случаях для достижения такого эффекта и для обеспечения максимальной равномерности диаграммы в материал линзы локально или по всему объему вводится диспергатор. В результате получается достаточно рациональная конструкция: с одной стороны, широкий (как правило, 110 градусов по уровню 0,5) угол в горизонтальной плоскости дает возможность построить экран, наблюдаемый под большими углами в этой плоскости без искажений, с другой стороны, небольшой вертикальный (30–50 градусов по уровню 0,5) ограничивает бесполезное распространение светового потока в пространство, где нет наблюдения. Таким образом, весь световой поток от кристалла равномерно направляется на наблюдателя. Сложность в том, что распределение светового потока внутри диаграммы направленности светодиодов разного цвета свечения редко бывают одинаковыме. Хотя угловые характеристики по уровню 0,5, указываемые в спецификациях, совпадают. Это связано с особенностью конструкций кристаллов, их геометрическими размерами, правильно подобранной оптикой, процентным содержанием диспергатора в материале линзы и т. д. Невыполнение этого условия и приводит к появлению описанных искажений изображения, сформированного кластером из таких светодиодов (рис. 12). Поэтому важно понимать, что построение качественного устройства воспроизведения полноцветного изображения, где имеет место смешение цветов и формирование оттенков, невозможно без учета характеристик распределения светового потока внутри диаграммы пространственного распределения излучения. Это условие касается также условия минимального разброса интенсивностей излучения (силы света) всех светодиодов одного цвета, невыполнение которого проявляется в виде неравномерной засветки поля светящегося полотна. Глаз способен различить разницу яркостей двух элементов, находящихся в пределах его разрешения и отличающихся друг от друга всего на несколько процентов (при условии нахождения в пределах насыщения). Как показывает практика, выполнение этого условия в начале эксплуатации светодиодного устройства вовсе не означает, что оно сохранится в процессе работы. Этот факт будет обсужден в следующем разделе статьи.

Относительная диаграмма пространственного распределения силы света кластера из трех светодиодов R, G, B фирмы Toyoda Gosei типа E1L4E-S с овальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета светодиодов. Показаны расхождения в направленности излучения каждого светодиода относительно оптической оси кластера. (Рис. 12)

Рис. 12. Относительная диаграмма пространственного распределения силы света кластера из трех светодиодов R, G, B фирмы Toyoda Gosei типа E1L4E-S с овальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета светодиодов. Показаны расхождения в направленности излучения каждого светодиода относительно оптической оси кластера.

Следующим важным параметром, идентичность которого должна быть соблюдена обязательно, является колориметрическая характеристика. Следствием невыполнения этого требования будет появление различных неоднородностей воспроизведения цвета. Система управления формированием цвета будет настроена на определенное соотношение интенсивностей основных цветов по формуле (7) исходя из спектральных параметров,

описанных в разделе 3 статьи, чтобы получить белый цвет с необходимыми координатами цветности. Однако достаточно отличающиеся по цветовым параметрам светодиоды будут выделяться и исказят цветопередачу. Этот дефект будет тем более заметен, чем меньше ширина спектрального распределения излучения светодиода. Стоит отметить, что глаз очень чувствителен к изменению цвета и способен различать квазимонохроматическое излучение с точностью до 1–2 нм.

Кроме идентичности параметров спектрального распределения необходимо остановиться на некоторых их значениях, требуемых для формирования правильной цветопередачи. МКО 1931 года рекомендует следующие координаты основных цветов (табл. 1).

Таблица 1

Следующим шагом в разработке конструкций светодиодов для систем отображения информации высокого качества стали многокристальные светодиоды с различным цветом излучения и полноцветный (RGB, Full сolor) прибор, содержащий три кристалла в одном корпусе (рис. 13), позволяющий формировать любой оттенок свечения (в том числе белый) как результат матрицирования трех цветов.

Полноцветные светодиоды для SMD-монтажа (Рис. 13)

Рис. 13. Полноцветные светодиоды для SMD-монтажа

Кристаллы расположены на одной общей подложке и находятся друг от друга на расстоянии, не превышающем 1–3 своих линейных размеров. Именно с использованием таких приборов стал возможен отказ от кластеров при изготовлении полноцветных экранов с высокой разрешающей способностью и яркостью до 2500 кд/м². Размер пикселя при этом получается равным размеру одного светодиода, а смешение цветов вообще происходит в точке с размером примерно 0,8×0,3 мм. Более того, будучи расположенными на одном основании, все три кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени, поэтому все тепловые уходы их параметров происходят одновременно, независимо от большой разницы прямых токов, и не влияют на результирующий цвет и интенсивность, сформированные в этот момент системой управления (в отличие от кластеров на дискретных светодиодах, где нет единой термостабилизации). Максимальный эффект этого свойства проявляется при формировании и воспроизведении белого цвета с большой частотой смены полей.

К достоинству описанной конструкции светодиода в части теплового режима стоит отнести и возможность использования его в импульсном режиме. Благодаря способности кристалла работать на больших (сотни МГц) частотах возможно получение импульсной оптической мощности, равной десяти номинальным долговременным, с сохранением фронтов до 10 нс (в зависимости от частоты повторения импульсов), при этом прямой ток через кристалл может достигать 100 мА.

Как правило, такие светодиоды исполняются в виде безвыводных элементов для SMD-монтажа и практически не имеют оптической системы, формирующей специфическую диаграмму направленности, поэтому она приближается по форме к cosΘ. Однако взаимное геометрическое расположение кристаллов все же вносит искажения в равномерность смешения световых потоков (рис. 14).

Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света трехкристального RGB-SMD-светодиода LM1-TPP1-01 TTQ фирмы COTCO с дельтаобразным расположением кристаллов внутри корпуса. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета свечения кристаллов. Показаны расхождения в направленности излучения относительно оптической оси светодиода (Рис. 14)

Рис. 14. Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света трехкристального RGB-SMD-светодиода LM1-TPP1-01 TTQ фирмы COTCO с дельтаобразным расположением кристаллов внутри корпуса. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета свечения кристаллов. Показаны расхождения в направленности излучения относительно оптической оси светодиода

Но по сравнению со светодиодами с овальной оптикой качество равномерности распределения намного выше на отдаленных от оптической оси углах, соответственно больше и угол наблюдения без искажений. Существуют и конструкции многокристальных светодиодов с различными оптическими системами, упорядочивающими смешение потоков кристаллов и формирующих подобие диаграммы направленности овальных светодиодов. Например, светодиоды фирмы «Корвет-Лайтс» (рис. 15), позволяющие использовать кристалл при повышенных плотностях тока — до 80 А/см², и обладающих увеличенной по сравнению с другими конструкциями светоотдачей.

а — светодиод с оптикой Френеля на цилиндре, б — светодиод с обычной цилиндрической линзой (Рис. 15)

Рис. 15. а — светодиод с оптикой Френеля на цилиндре, б — светодиод с обычной цилиндрической линзой

Однако равномерного смешения световых потоков кристаллов при использовании оптической системы получить не удается, поэтому широкого распространения такие приборы не получили, несмотря на свои незаурядные энергетические характеристики, едва ли до сих пор кем-либо достигнутые.

Также в таких светодиодах существует проблема с упорядочением идентичности параметров кристаллов, о которой говорилось выше, — ведь необходимо, чтобы все три кристалла были по параметрам очень близки к соответствующим в других светодиодах. Добиться такого сочетания необходимо уже на уровне монтажа кристаллов в корпус, иначе выход приборов с близкими параметрами будет невысок относительно всей партии. Такое действие достаточно трудоемко с технологической точки зрения и приводит к удорожанию продукта. Как правило, за основу берут один параметр, который можно скорректировать уже в составе светодиода. Это сила света. Цветовые характеристики кристаллов тестируются и разделяются еще до монтажа. Впоследствии интенсивность свечения каждого кристалла каждого светодиода в составе табло, например, доводится до одинакового значения программными средствами либо коррекцией питания. Таким образом реализуется идентичность характеристик в трех кристальных светодиодах, используемых группами.

Подавляющее большинство систем управления интенсивностями свечения светодиодов реализовано на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с большим количеством дискретов. Достоинства этого принципа управления, кроме удобства цифровой обработки данных сигнала, с точки зрения режимов работы светодиодов в том, что прямой ток через светодиод остается постоянным всегда, а изменяется лишь длительность импульса этого тока. Глаз интегрирует световой поток за период времени до следующего импульса, и получается, что время свечения светодиода, пропорциональное времени импульса, определяет интенсивность излучения. Это условие можно учесть программно и на самых малых уровнях интенсивности при самых коротких импульсах, когда интеграционная характеристика глаза приобретает функцию е^х с большими значениями х, и на самых больших, когда наступает насыщение, сохраняя тем самым линейность яркостной характеристики. Постоянство прямого тока через светодиод определяет соответствующее постоянство большинства ключевых параметров светодиода, в основном зависящих прямо или косвенно только от тока (люмен-амперная характеристика, зависимость полуширины спектра излучения, вольт-амперная характеристика и т. д.). Таким образом, при использовании подобных систем управления устройством отображения информации проблемы уходов характеристик светодиодов сведены преимущественно только к температурным зависимостям. И хотя это также является довольно серьезной темой для обсуждения, стоит говорить об этом отдельно, чтобы рассмотреть все подробности.

Анализ параметров и прогноз качества светодиодов для систем отображения информации от различных производителей методом исследования деградационных характеристик

Ведущими в мире производителями полупроводниковых кристаллов считаются компании NICHIA, Toyoda Gosei, Hewlett-Packard, CREE, Osram, Lumileds, Epistar. Эти компании отличаются друг от друга не только количеством произведенной продукции, а, что самое важное, принципиально различными конструкциями кристаллов собственных разработок. Поэтому, исследуя конкретный светодиод, помимо его технических характеристик немаловажно знать, на основе кристалла какого производителя он изготовлен. Как правило, знание этого обстоятельства, сразу ответит на многие вопросы опытному пользователю светодиодами еще до рассмотрения им других данных. Однако любая наука базируется на исключительно объективных сведениях. Получить их — довольно непростое дело, но в этом разделе хотелось бы обсудить именно такие — объективные результаты исследований параметров кристаллов и светодиодов, полученные в результате многих тысяч измерений и расчетов их характеристик. Во внимание были взяты лишь физические величины, цифры, показания приборов и сравнительные характеристики на их основе.

Были досконально исследованы светодиоды более чем 20 фирм-производителей, в том числе использующих кристаллы указанных выше компаний-лидеров.

Самому детальному исследованию были подвергнуты светодиоды на основе кристаллов Lumileds, Epistar, CREE производства СОТСО, RETOP, ACOL, LASEMTECH, Inc., светодиоды на основе кристаллов Toyoda Gosei, NICHIA.

Параллельно исследовались светодиоды на основе кристаллов, произведенных в Юго-Восточной Азии. Это приборы фирм Brightek, ETR, GUANGYI, Lanbaoli elektroniks, Golden Valley Opto, Lite-Max optо, SINO, ULTRALIGHT electronic, Sitronics Co., LED YI LIU, КENA, Shuen, Ningbo Foryard Opt., SANDER, Ledman и др.

Все образцы исследовались по одинаковой методике. Исследования велись при одинаковых условиях и с максимально возможным количеством измеряемых параметров. Во время наработки каждый светодиод питался от отдельного индивидуального стабилизированного источника тока с точностью поддержания тока ±0,5 мА. Это исключает возможность появления деградации параметров из-за колебаний прямого тока через кристалл. Большинство выводов сделано на основе наблюдений за изменениями зависимостей параметров в течение не менее 10 тыс. часов непрерывной работы светодиодов.

Помимо величин, изменяющихся в зависимости от прямого тока через кристалл, поддающихся моделированию или измерению (световой поток или сила света — люмен-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика, зависимость координат цветности от прямого тока и т. д.), есть и такие, как, например, срок службы, необратимая деградация и т. п., которые не могут быть достоверно установлены в зависимости от изменения вышеуказанного параметра. Значения этих характеристик можно косвенно предположить исходя из определения степени близости условий работы кристаллов при различных токах к условиям их работы на нормируемом производителем токе и нормируемого при этом токе срока службы. А также анализируя поведение спектральных и фотометрических характеристик излучения при больших токах, по которому можно достаточно точно судить о «здоровье» кристалла, светодиода в целом и его возможном потенциале.

Необходимость данных этого исследования возникает при моделировании новых конструкций светодиодных устройств, учитывающих возможность работы кристаллов при больших плотностях тока, прогнозов ухода параметров при колебаниях температуры окружающей среды, а также при конструировании устройств отображения информации и сигнализации высокой надежности.

К каждому типу исследуемых светодиодов обязательно применялся метод последовательных измерений большого количества параметров в зависимости от времени наработки (деградационные характеристики параметров — зависимости их значений от времени наработки), что в свою очередь подтвердило эффективность метода для определения качества светодиодов. Появилась возможность связать малые отклонения от типичных в характеристиках у светодиодов без времени наработки с характеристиками после некоторой наработки, приводящие впоследствии к выходу светодиода из строя. Это позволяет сделать достоверный прогноз качества, срока службы и поведения характеристик прибора в процессе всего времени эксплуатации, не прибегая к длительным испытаниям.

По поведению показателей наиболее важных параметров приборов различных конструкций и производителей в течение временной наработки все светодиоды были условно разделены на насколько групп по степени изменения характеристик и изначального (без наработки) соответствия значениям, обозначенным в спецификациях.

Группа 1.

Результаты исследований прежде всего выявили общее повышение энергетики выхода используемых кристаллов относительно прежних показателей. Наиболее продвинутой в плане освоения новых технологий в производстве светодиодов оказалась фирма СОТСО, которая применила в своих светодиодах новый тип кристалла на основе InGaN/GaN на подложке SiC. Это кристаллы серий CREE XBright™, CREE XThin™, устанавливаемые способом «flip-chip» на эвтектическую прослойку, нанесенную на рамку светодиода. Они стали удачным продолжением в усовершенствовании кристаллов MBright™ на подложке SiC, отличающейся лучшей, чем сапфир, совместимостью кристаллических решеток подложки и выращенной на ней структуры InGaN/GaN. Применение кристалла XBright™ позволило практически сравнять энергетические показатели светодиодов синего и зеленого цвета излучения со светодиодами фирмы NICHIA, не изменяя цены и, что самое важное, надежности светодиода. А светодиоды с кристаллом CREE XThin™ фирмы Ledman превзошли по энергетическим параметрам идентичные по характеристикам приборы лидера производства светодиодов. Например, высший ранг наиболее используемых в экранах светодиодов с овальной линзой и углом излучения 110×50 град. светодиодов фирмы NICHIA NSP_546 имеет осевую силу света до 2,4 кд (зеленый цвет), в то время как фирма СОТСО заявляет 2,3 кд у LO5SMQPG4-BOG-A1, что подтвердилось при исследованиях. Синий СОТСО LO5SMQBL4-BOG-A1 также с углом излучения 110×50 град. имеет осевую силу света до 0,75 кд (табл. 2). Световой поток кристаллов CREE представлен в таблице 3.

Таблица 2

Таблица 3

Световая отдача кристаллов CREE XThin™ достигает 35–40 lm/W за счет значительного уменьшения прямого падения напряжения U_ƒ во всем диапазоне токов. На рис. 16, 17 показана эволюция вольт-амперных характеристик семейства кристаллов CREE, наглядно поясняющая это утверждение.

Прямые вольт-амперные характеристики кристаллов CREE (Рис. 16)

Рис. 16. Прямые вольт-амперные характеристики кристаллов CREE

Зависимость потребляемой мощности P_dis от прямого тока Iƒ и динамическое сопротивление R_din кристаллов CREE (Рис. 17)

Рис. 17. Зависимость потребляемой мощности P_dis от прямого тока Iƒ и динамическое сопротивление R_din кристаллов CREE

Использование таких светодиодов позволяет формировать экраны и табло с шагом пикселей 22 мм и яркостью до 8000 кд/см². При шаге пикселей 19 мм можно достичь яркости 10 тыс. кд/см². При этом полностью сохраняется надежность и долговечность работы экрана.

В чем секрет этих светодиодов? Особая конструкция кристаллов CREE XBright™, CREE XThin™ (рис. 18) одновременно решает несколько задач:

Кристаллы фирмы CREE. а — MBright™, б — XBright™, высота 250 мкм, в — XThin™, высота 115 мкм (Рис. 18)

Рис. 18. Кристаллы фирмы CREE. а — MBright™, б — XBright™, высота 250 мкм, в — XThin™, высота 115 мкм

• Великолепный отвод тепла от p-n-перехода (тепловое сопротивление «p-n-переход — кристаллодержатель» — всего 2–5 град./Вт), активная область расположена всего в 2–3 мкм от эвтектического слоя.
• Выгодное с точки зрения хода оптических лучей расположение граней и распределение излучения внутри кристалла по всему объему. Поэтому выход квантов наблюдается по всей поверхности граней кристалла, а их площадь примерно в четыре раза больше, чем у кристалла на подложке из Al₂O₃ (рис. 19).

Кристалл на подложке из сапфира. Высота 110 мкм, тепловое сопротивление «p-n-переход — кристаллодержатель» 80–150 град/Вт (Рис. 19)

Рис. 19. Кристалл на подложке из сапфира. Высота 110 мкм, тепловое сопротивление «p-n-переход — кристаллодержатель» 80–150 град/Вт

• Площадь верхнего омического контакта, несмотря на маленький размер, не влияет на равномерность растекания тока, так как p-n-переход расположен в противоположной стороне от него, а распределение тока формируется толщей подложки SiC и специальным слоем AuSn. Нижний контакт занимает всю площадь нижней грани. Поэтому вся площадь активной области работает при одинаковой плотности тока и нет локализации излучения, находящейся в зависимости от расположения омического контакта.
• Высокая механическая прочность эвтектического соединения кристалла с металлической рамкой светодиода. Устраняются проблемы разности коэффициентов линейного расширения кристалла и материала рамки (подложки) при увеличении температуры работающего кристалла.
• Кристалл имеет большой динамический диапазон и запас по импульсным токовым нагрузкам. Линейность люмен-амперной характеристики сохраняется вплоть до тока 120 мА, что соответствует его плотности почти в 200 А/см². Кристаллы конструкций на рис. 19 теряют линейность, едва достигая плотности тока 100–120 А/см².

Технология посадки кристалла способом «flip-chip» встречается не впервые. Toyoda Gosei применяет эту технологию для кристаллов на подложках из Al₂O₃. Светодиоды фирмы отличаются высокой надежностью, которую, помимо конструкции кристалла, обеспечивает еще и смонтированный рядом с излучающим кристаллом быстродействующий диод Шоттки, включенный обратно и шунтирующий светодиод при подаче большого обратного напряжения. Однако светотехнические параметры этих светодиодов ниже, чем у СОТСО.

Группа 2.

Другая часть производителей, которые используют в производстве своих светодиодов кристаллы преимущественно конструкций—прототипов NICHIA, разделилась на несколько категорий по различным качественным показателям приборов на однотипных кристаллах. Но все они не достигли таких значений силы света и других энергетических показателей светодиодов, как у ведущих фирм. Часто реальные параметры светодиодов разнились с заявленными в спецификациях, обладая и по этим данным не самыми лучшими характеристиками. Делается это недобросовестным производителем исключительно для того, чтобы обозначить свою продукцию среди других на должном уровне и сделать ее продаваемой, потому как проверить истинность параметров потребителю в подавляющем большинстве случаев бывает невозможно, а по виртуальным, написанным на бумаге характеристикам светодиоды обладают неплохими параметрами. Но выясняется, что все далеко не так.

Группа 3.

Следующая категория — светодиоды с большим фактором деградации квантового выхода от времени наработки, связанного как с некачественным кристаллом, так и с нарушением технологии при сборке светодиода. В эту группу попали светодиоды фирм Lite-Max optо, SINO, ULTRALIGHT electronic, GUANGYI, Ningbo Foryard Opt., SANDER, использующие кристаллы неизвестных производителей из Юго-Восточной Азии. Подавляющее большинство этих кристаллов имеет широко известную структуру, представленную на рис. 19. Однако их характеристики не имеют ничего общего с такими же кристаллами производства NICHIA, по всей вероятности, из-за несовершенства оборудования и несоблюдения технологического процесса их выращивания. Детальные результаты измерения, получения и моделирования деградационных характеристик требуют более тщательного, чем просто ознакомительное, обсуждения из-за большого объема вплотную связанных друг с другом параметров и непременно станут темой будущих статей. Стоит привести здесь одну из самых наглядных диаграмм, иллюстрирующих процесс деградации наиболее важного параметра светодиода во времени— пространственного распределения силы света в зависимости от времени наработки Iν(T) (рис. 20). Возможно построение зависимости изменения светового потока от времени наработки (как наиболее корректной с точки зрения физики процесса), но наглядность этого графика для пользователя будет недостаточна для объяснения картины происходящих изменений в светотехнических параметрах, к которым привязано большинство спецификаций на светодиоды. «Интегральность» этого параметра не позволит проследить за изменениями угловых характеристик и значений силы света на разных участках диаграммы. Как видно из диаграммы, помимо значительного уменьшения осевой силы света Iν, происходит одновременное уменьшение и перераспределение светового потока по углу излучения, изменение угловых характеристик светодиода по разным уровням Iν и, как следствие, пропорциональное этому явлению изменение светотехнических характеристик устройства отображения информации в целом. Это наиболее заметно, если подобная деградация происходит лишь у части светодиодов, образуя пятна и области с нарушенной цветопередачей и разной яркостью. Однако протекание подобной деградации у светодиодов никогда не происходит равномерно у всех образцов из-за различия причин ее появления. А самое главное, что применяемые в кластере светодиоды, как говорилось ранее, выполнены на основе кристаллов разных структур, изменения параметров которых изначально не могут быть одинаковыми. Поэтому сам факт появления деградации, отличающейся по характеру от нормальной для этих материалов кристаллов, уже говорит о недопустимости его возникновения у светодиодов, составляющих полотно изображения устройства. Как правило, поведение именно этого графика (рис. 20) в первые несколько сотен часов работы может многое сказать об отклонении и других характеристик светодиода от нормы.

Рис. 20. Зависимость Iν(T) светодиода SF-5EDB24 110×50 фирмы SINO. Дана диаграмма углового распределения силы света в вертикальной плоскости излучения. Цифрами обозначено время наработки в часах (h). Цвет цифры соответствует цвету кривой на графике (Рис. 20)

Рис. 20. Зависимость Iν(T) светодиода SF-5EDB24 110×50 фирмы SINO. Дана диаграмма углового распределения силы света в вертикальной плоскости излучения. Цифрами обозначено время наработки в часах (h). Цвет цифры соответствует цвету кривой на графике

Группа 4.

Еще одну категорию составляют светодиоды (Sitronics Co., LED YI LIU и др.) с большим разбросом параметров (более ±50% по Iν) в партии из нескольких сотен штук, усугубляющимся деградацией и не позволяющим использовать их в аппаратуре, требующей единства характеристик всех светодиодов группы. Поэтому их детальное рассмотрение не приводится.

Исследования статистических данных производства больших партий (до 1 млн штук) некоторых производителей (например, СОТСО) показали, что вне зависимости от категории (группы светодиодов, разбитых по принципу идентичности или малого, до ±10%, разброса параметров) количество образцов, определенных описанным методом как неизбежно выходящих из строя, практически одинаково и составляет примерно 12–15%.

Некоторые данные о результатах этих исследований сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Причем изначально эти светодиоды признаются годными, потому как действительно соответствуют всем параметрам производителя, указанным в спецификации. Конечно, приведенные цифры колеблются в зависимости от качества партии применяемых пластин кристаллов, соблюдения технологической дисциплины и т. д. Однако селекция потенциально неисправных образцов на производстве является продолжением и развитием описанной методики (с помощью деградационных характеристик) определения критериев, по которым необходимо проводить этот отбор. Таким образом удастся использовать качественные светодиоды, отсортированные по необходимым критериям, и быть уверенным в том, что их параметры не изменятся непредсказуемо непосредственно в проектируемом изделии.

Некоторые итоги исследований

Подытоживая сказанное, стоит заметить, что проводимые исследования и постоянный мониторинг новаций и разработок позволяют не только судить о состоянии рынка светодиодной продукции, но и принимать правильные решения в стратегии использования тех или иных светодиодов в устройствах на их основе. Нельзя не уделять внимание некоторым, принципиально разнящимся с классическими, разработкам в области создания новых средств для полупроводниковой оптоэлектроники. Именно такой подход требуется при проектировании современных устройств отображения информации и оправдан качеством и высокими параметрами производимых экранов и табло на светодиодах при устойчивой тенденции к снижению их стоимости.

Литература

1. Sze S. M. Physics of Semiconductor devices. 1984.
2. Moss T. S. Semiconductor Opto — Electronics. 1973.
3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN-светодиодов // «Светодиоды и лазеры» № 1, 2. 2002. С. 30–33.
4. Агафонов Д. Р., Аникин П. П., Никифоров С. Г. Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе // «Светотехника» № 6. 2002. С. 6–11.

параметры и полные характеристики, размеры

Светодиоды сейчас активно применяются в самых разных отраслях. Популярным считается кристалл типа SMD 3528. Несмотря на то, что за время его существования появилось огромное количество более современных устройств, модель актуальна за счет надежности, невысокой стоимости и неплохих технических характеристик. На их основе создаются светильники и светодиодные ленты. Рассмотрим особенности и параметры SMD 3528.

Описание и особенности применения

Размеры светодиода SMD 3528 составляют 3,5 мм на 2,8 мм. Высота кристалла 1,4 мм. На каждой стороне располагается по два контакта, через которые проходит ток. При изготовлении используются только прозрачные линзы, обеспечивающие качественное прохождение света.

Со стороны катода можно увидеть особый срез на корпусе. Этот срез иногда называют ключом. Вся поверхность изделия покрывается люминофором, выполняющим помимо светопередачи защитную функцию.

SMD 3528 относят к категории малых сверхъярких LED, оснащенных корпусом для монтажа на разные поверхности. Сам кристалл изготавливается из смеси нитрида галлия и нитрида индия. Получается особая структура, создающая яркое излучение. В состав входит фосфид на основе алюминия, галлия и индия.

Цифры в обозначении модели говорят о размерах изделия, так что нетрудно представить установку устройства в ту или иную область.

В продаже можно найти особую модель с маркировкой SMD 5050. Она представляет собой сборную конструкцию, состоящую из 3 стандартных кристаллов 3528, заключенных в один корпус, что дает увеличение мощности. У изделий очень низкий уровень деградации кристаллов, что значительно продлевает срок эксплуатации. При этом светодиоды отлично себя чувствуют даже при температурах более 100 градусов по Цельсию.

Светодиодная лента

Относительно невысокая стоимость и удобство монтажа позволили использовать диоды данного типа во множестве сфер жизни. Наиболее часто они встречаются в качестве основных компонентов светодиодных лент, а также разных индикаторов на приборах. Их можно увидеть в системах подсветки, вывесках и других областях, где требуется небольшой источник яркого света.

На основе LED 3528 было создано немало современных устройств с трехцветными RGB-подсветками и кристаллами с улучшенной светоотдачей.

Параметры и характеристики видов

Светодиоды SMD 3528  изготавливаются на основе  InGaN (нитрид галлия, нитрид индия) и AlGaInP (алюминий, галлий, индиевый фосфат). У большинства кристаллов этого типа индекс передачи цвета 60-80 Ra, а диапазон цветовой температуры 3000-7500 К. Это выше чем у более крупных SMD 5328. Световой поток генерируется от 5 до 11 Лм.

Светоотдача составляет 40 Лм/Вт, что делает эти LED крайне эффективными для освещения небольших областей. Никакого теплоотвода не предусмотрено, так как кристаллы неплохо справляются с повышенными температурами.  Угол рассеивания составляет 90 градусов, а область светоизлучения 4-5 мм.

Наиболее комфортными температурами считаются показатели от -40 до +85. И если с превышением верхней границы обычно никаких проблем не возникает, то слишком низкие температуры способны привести кристалл в негодность.

Стоит отметить, что итоговая яркость света очень сильно зависит от температуры. Эксплуатация при температурах от +60 способна снизить яркость на 10%, а превышение границы в 80% станет причиной снижения яркости на 25%. Это одна из причин, почему полупроводниковым приборам важно охлаждение.

При производстве изделия подвергаются бинированию – установке бин-кода, определяющего цветность, температуру и координаты освещения. Некоторые производители сопровождают свои товары специальными диаграммами цветности.

В процессе работы рассеиваемая мощность составляет 100 мВт, при прямом напряжении около 3 В. Устройства функционируют с током, не превышающим 25 А.

Ниже перечислены технические характеристики  светодиодов SMD 3528 с разными цветовыми гаммами. Для удобства представлены графики рабочих значений.

Красный светодиод

Красный свет

Технические характеристики красного светодиода:

Характеристики красного светодиода

Вольт-амперная характеристика красных диодов:

ВАХ красных светодиодов

Желтый светодиод

Желтый свет

Технические характеристики желтого LED:

Характеристики желтого светодиода

Вольт-амперная характеристика желтых диодов:

ВАХ желтых светодиодов

Зеленый

Зеленый свет

Технические характеристики зеленого LED:

Характеристики зеленого светодиода

Вольт-амперная характеристика зеленых диодов:

ВАХ зеленых светодиодов

Синий

Синий свет

Технические характеристики синего диода:

Характеристики синего LED

Вольт-амперная характеристика синих диодов:

ВАХ синих светодиодов

Белый

Белый свет

Технические характеристики белого диода:

Характеристики белого светодиода

Вольт-амперная характеристика белых диодов:

ВАХ белых светодиодов

Белые СМД представлены на рынке двумя разновидностями:

• холодный свет;
• теплый свет.

Отличия заключаются в составе спектра излучения.

Плюсы и минусы

Диоды SMD 3528  имеют целый ряд специфических особенностей, которые рекомендуется учитывать при выборе.  Имеются как положительные, так и отрицательные моменты.

К преимуществам диодов можно отнести:

• экономичное потребление электроэнергии;
• относительно невысокая стоимость;
• при работе не возникает мерцаний или пульсаций;
• минимальный нагрев.

Недостатки:

• малая мощность, особенно в сравнении с последующими разработками;
• неизбежная деградация кристалла с потерей необходимых свойств;
• вероятность производственного брака, который трудно оценить заранее.

Советуем посмотреть видео: ТЕСТ/СРАВНЕНИЕ ДИОДНЫХ ЛЕНТ НА SMD 3528, 5050, 5630, 5730. АЛИЭКСПРЕСС.

Как правильно выбрать и не попасть на подделку

На рынке есть немало LED 3528 от известных компаний, среди которых такие гиганты как LG, Philips и Samsung. Но это не обезопасило продукт от огромного количества подделок, обладающих совершенно иными характеристиками. Чтобы удешевить производство, недобросовестные компании часто прибегают к искусственному уменьшению кристаллов, снижению мощностей и эксплуатационных параметров.

Без опыта определить подделку затруднительно. Но есть ряд особенностей, по которым идентифицируют некачественный продукт:

1. Основание. Подделки часто создаются на алюминиевых каркасах, тогда как оригинальные диоды используют только медь для лучшей теплопроводности. Определить материал поможет сравнение внешнего вида, а также веса. Алюминий легче (оценить вес маленького диода без специальных весов практически невозможно, так что лучше сравнивать сразу большие партии изделий).
2. Создатели поддельных диодов часто не указывают количество часов работы перед снижением потока до 80%, ограничиваясь общим сроком эксплуатации.
3. Стоимость. LED 3528 SMD считаются довольно доступными. Однако их цена не может быть ниже некоторого установленного значения. Поставщики подделок могут поставлять оборудование по чрезвычайно заниженным ценам, но и качество диодов будет очень низкое.

Правила подключения

Маркером определения правильности подключения является срез угла, показанный на рисунке ниже.

Схема диода

Для надежности лучше использовать последовательное подключение  с применением токоограничивающих резисторов. Ниже представлена схема такого подключения.

Отношение напряжения питания к падению напряжения за вычетом единицы покажет, какое оптимальное количество диодов можно включить в сеть.

Схема подключения

Для подбора резистора используют формулу расчета сопротивления через напряжение и силу тока.

N обозначает количество последовательно соединенных LED. Номинальный ток Iпр для 3528 составляет около 25 мА. Так как при расчетах может получиться не целое число, обычно берут резистор с округлением в большую сторону.

Что такое зеленый светодиод, используемый для

Как светодиод излучает красный, зеленый и синий свет

Световой цвет и световая отдача светодиода зависят от материала и процесса изготовления светодиода. В настоящее время широко используются красный, зеленый и синий цвета. Поскольку рабочее напряжение светодиода низкое (всего 1,5-3 В), он может активно излучать свет и имеет определенную яркость. Яркость можно регулировать напряжением (или током). Он ударопрочный, вибростойкий и имеет длительный срок службы (100000 часов).Различные материалы светодиода могут производить фотоны с разной энергией, которая может управлять длиной волны света, излучаемого светодиодами, то есть спектром или цветом.

Первый светодиодный материал в истории — арсенид галлия (GA). Падение напряжения на прямом PN-переходе (VF, которое можно понимать как напряжение освещения или рабочее напряжение) составляет 1,424 В, а излучаемый свет имеет инфракрасный спектр. Другим широко используемым материалом для светодиодов является фосфид галлия (GA), падение напряжения на прямом PN-переходе которого составляет 2,261 В, а излучаемый свет имеет зеленый цвет.Основываясь на этих двух материалах, структура материала Gaas1 xpx, применяемого в раннем промышленном применении светодиодов, теоретически может производить светодиоды с любой длиной волны от инфракрасного света до зеленого света. Нижний индекс x представляет процентное содержание фосфора, замещающего мышьяк.

Обычно длину волны и цвет светодиода можно определить по падению напряжения на PN-переходе. Типичными являются красный светодиод gaas0.6p0.4, оранжевый светодиод gaas0.35p0.65 и желтый светодиод gaas0.14p0.86. Из-за использования галлия, мышьяка и фосфора эти светодиоды широко известны как трехэлементные светоизлучающие трубки.Синий светодиод GaN, зеленый светодиод с промежутком и инфракрасный светодиод GaAs называются двухэлементными светодиодами. В настоящее время последний процесс состоит в том, чтобы сделать четырехэлементный светодиод с AlGaInN, который смешан с алюминием (AL), кальцием (CA), индием (in) и азотом (n). Четырехэлементный светодиод может покрывать весь видимый свет и часть ультрафиолетового спектра.

Что такое белый светодиод

Вообще говоря, есть два способа синтезировать белый светодиод. Первый — это RGB, то есть красный светодиод + зеленый светодиод + синий светодиод. Основная проблема этого метода — низкая эффективность преобразования зеленого света.Теперь эффективность преобразования красного, зеленого и синего светодиода составляет 30%, 10% и 25% соответственно, а эффективность белого светового потока может достигать 60 лм / Вт. достигают 200 лм / Вт. Из-за разной цветовой температуры и индекса цветопередачи, необходимых для синтетического белого света, световая отдача каждого цветного светодиода синтетического белого света разная.

С дальнейшим развитием глубокого согласования цветов и баланса белого белого светодиода люди надеются, что спектр, координаты цветности, цветопередача и соответствующая цветовая температура белого светодиода, используемого в качестве источника освещения, могут соответствовать соответствующим стандартам CIE и Китая, в противном случае это следует считать неквалифицированным.

Мы суммируем фотохромные характеристики белых светодиодов с соответствующей цветовой температурой 80004000k и их взаимосвязь с прямым током. В течение долгого времени белые светодиоды с низкой цветовой температурой (<4000K) и высокой цветопередачей было трудно реализовать в соответствии с нынешней основной схемой, которая представляет собой комбинацию светодиодного чипа InGaN Blue и желтого люминофора на основе редкоземельного граната, активированного CE. Из-за отсутствия красной составляющей в спектре излучения желтого люминофора.Поэтому большинство отчетов ограничиваются белыми светодиодами с высокой цветовой температурой выше 5000K.

Хотя белые светодиоды доступны, отсутствуют белые светодиоды с низкой цветовой температурой. В настоящее время имеется мало сообщений о белых светодиодах с низкой цветовой температурой, состоящих из голубых фишек и люминофоров. Поэтому очень важно разработать белые светодиоды с низкой цветовой температурой (<4000K) и высокой цветопередачей как для академических исследований, так и для применения.

Второй способ — светодиоды + люминофоры разных цветов: первый метод заключается в использовании ультрафиолетовых или пурпурных светодиодов + люминофоры RGB для синтеза светодиода.Принцип работы этого метода аналогичен люминесцентным лампам, но по своим характеристикам превосходит люминесцентные лампы. Коэффициент преобразования фиолетового светодиода может достигать 80%, а эффективность квантового преобразования различных цветных люминофоров может достигать 90%. Другой метод — использовать синий светодиод + красный зеленый люминофор, эффективность синего L-светодиода составляет 60%, эффективность люминофора составляет 70%, а синий светодиод + желтый люминофор используется для формирования белого света.

По сравнению с двумя методами, трехцветный светодиод RGB обладает лучшими комплексными характеристиками при синтезе белого света.При условии высокого индекса цветопередачи эффективность светового потока может достигать 200 лм / Вт. Основная техническая проблема, которую необходимо решить, заключается в повышении эффективности электрооптического преобразования зеленого светодиода, которая в настоящее время составляет всего около 13%. , а стоимость высока.

Диапазон длин волн зеленого светодиода

Красный свет: 615-650, оранжевый: 600-610, желтый: 580-595, желто-зеленый: 565-575, зеленый: 495-530, синий свет: 450-480, фиолетовый: 370-410, белый свет: 450-465.

Различные цвета излучения светодиодов соответствуют определенному диапазону длин волн излучения, а цвета света почти покрывают солнечный спектр.В настоящее время успешно изготовлены ультрафиолетовые, синие, зеленые, желтые, красные и инфракрасные светодиоды. Кроме того, светодиоды имеют низкое рабочее напряжение, низкий рабочий ток и просты в сборке, что делает их новым поколением энергосберегающих и низкоуглеродистых источников света.

Что касается спектральных характеристик светодиодов, мы в основном смотрим, насколько хороша его монохроматичность, и мы должны обращать внимание на то, являются ли основные цвета красных, желтых, синих, зеленых и белых светодиодов чистыми.

Цвет света, который может наблюдать человеческий глаз, — это свет от 380 до 780 нм в электромагнитной волне. Цвет меняется с длиной волны; свет видимый и нематериальный. Цвет существует только в глазах и мозге живых существ, что влияет на восприятие яркости. Помимо оттенка цвета, существуют также размер цветовой области и другие визуальные факторы. Именно человеческий глаз заставляет один и тот же объект появляться в разных цветах в глазах разных людей.

Зачем нужны зеленые светодиодные фонари под елкой

Связь между световым спектром и фотосинтезом растений

В последние годы внимание исследователей привлекло влияние качества света на рост и морфологию растений. Например, китайские, европейские и американские академические круги сосредоточили внимание на влиянии монохроматического светодиодного света на характеристики роста проростков тканевых культур. В Израиле используется пластиковая ткань разных цветов в качестве укрытия, чтобы обсудить влияние на рост листовых овощей и лиственных растений.

Влияние диапазона спектра на биологию растений

★ 280 ~ 315 нм оказывает минимальное влияние на морфологию и физиологические процессы

★ 315 ~ 400 нм Хлорофилл мало поглощает, влияет на эффект фотопериода и предотвращает удлинение стебля

★ 400 ~ 520 нм (синий) Коэффициент поглощения хлорофилла и каротиноидов является самым большим, что оказывает наибольшее влияние на фотосинтез

★ Скорость поглощения пигмента 520 ~ 610 нм невысока

★ 610 ~ 720 нм (красный) Скорость поглощения хлорофилла низкая, что оказывает значительное влияние на фотосинтез и эффекты фотопериода

★ 720 ~ 1000 нм Низкая скорость поглощения, стимулирует удлинение клеток, влияет на цветение и прорастание семян

★ ＞ 1000 нм преобразовано в тепло

В июльском (2) номере журнала Flower Tech за 2004 г. есть статья, в которой обсуждается влияние цвета света на фотосинтез.Автор — г-н Гарри Стиджгер. Подзаголовок статьи указывает на то, что принято считать, что цвет света влияет на фотосинтез. По-разному, на самом деле, в процессе фотосинтеза влияние цвета света не отличается, поэтому использование полного спектра наиболее способствует развитию растений.

Чувствительность растений к спектру отличается от чувствительности человеческого глаза. Самый чувствительный спектр человеческого глаза — 555 нм, который находится между желтым и зеленым светом.Он менее чувствителен к синему и красному свету. Растения не такие, и они наиболее чувствительны к спектру красного света. Он менее чувствителен к зеленому свету, но разница в чувствительности не так велика, как у человеческого глаза. Область, наиболее чувствительная к спектру, составляет 400 ~ 700 нм. Этот участок спектра обычно называют эффективной энергетической областью фотосинтеза. Энергия солнечного света составляет около 45%. Находится в этом участке спектра. Следовательно, если искусственные источники света используются для увеличения количества света, спектральное распределение источника света также должно быть близко к этому диапазону.

Энергия фотонов, излучаемых источником света, различается в зависимости от длины волны. Например, энергия длины волны 400 нм (синий свет) в 1,75 раза больше энергии 700 нм (красный свет). Но для фотосинтеза эффект двух длин волн одинаков. В синем спектре Избыточная энергия, которая не может быть использована для фотосинтеза, преобразуется в тепло. Другими словами, скорость фотосинтеза растений определяется количеством фотонов, которые растение может поглотить на длине волны 400-700 нм, и не связана с количеством фотонов, испускаемых каждым спектром.Но общение обычного человека Считается, что цвет света влияет на скорость фотосинтеза. У растений разная чувствительность ко всем спектрам. Это связано с особым впитыванием пигментов листьями. Среди них наиболее известен хлорофилл. Но хлорофилл — не единственный пигмент, полезный для фотосинтеза. Другие пигменты также участвуют в фотосинтезе, поэтому эффективность фотосинтеза не может рассматриваться только с учетом спектра поглощения хлорофилла.

Разница в пути фотосинтеза также не связана с цветом.Световая энергия поглощается хлорофиллом и каротином в листьях. Энергия преобразуется в глюкозу и кислород путем связывания воды и углекислого газа через две фотосинтетические системы. В этом процессе используется весь видимый спектр света. Следовательно, влияние источников света разных цветов на фотосинтез практически одинаково.

Сине-зеленый светодиодный чип

Принцип работы светодиода заключается в том, что в случае прямой проводимости электроны и дырки, введенные в P / N-часть диода, встречаются и рекомбинируют, а потенциальная энергия преобразуется в энергию света.Длина волны излучаемого фотона (то есть цвет света) определяется по ширине полосы энергии полупроводника. С точки зрения непрофессионала, чем шире ширина энергетической зоны полупроводника, тем больше энергия излучаемых фотонов и тем короче соответствующая длина волны. Материальной основой современных синих и зеленых светодиодов является полупроводник III-нитрид, который представляет собой систему из четвертичного сплава AlGaInN, в основном состоящего из GaN и дополненного InN и AlN.

Древняя скульптура сидящего Будды на руинах буддийского храма Ват Махатхат в желто-зеленой ночной подсветке.Сукхотай, Таиланд

В настоящее время большинство материалов светоизлучающих слоев с квантовыми ямами для синих и зеленых светодиодных чипов состоит из сплава InxGa1-xN и GaN. Поскольку ширина энергетической зоны сплава InxGa1-xN изменяется в зависимости от соотношения InN, она может составлять 3,4 эВ (соответствует ширине зоны GaN) и 0,7 эВ (соответствует ширине зоны InN), поэтому теоретически эта материальная система может охватывать весь видимый световой спектр. Однако текущая технология подготовки материалов представляет собой технологию выращивания эпитаксиального слоя на основе кристаллов GaN, которая позволяет выращивать только материалы из сплавов с более низким содержанием InN.Кристаллическое качество сплава InxGa1-xN резко падает после состава InN x> 15%.

Фактически, текущий технический уровень отрасли обычно достигает того, что эффективность электрооптического преобразования микросхем синего света примерно в два раза выше, чем у зеленого света, потому что состав InN первого намного меньше, чем последний, и состав InN в устройствах зеленого света оценивается в 30%. % Или более (определение точного состава материалов из сплава InGaN до сих пор остается сложной научной задачей в академических кругах).Другими словами, для нынешней технологии трудно продолжать увеличивать состав InN, чтобы устройства из сплава InGaN могли эффективно излучать красный свет. Но, к счастью, уже в 1990-х годах фосфидная система группы III (также обычно обозначаемая как четвертичная система, AlGaInP) стала зрелой материальной основой для устройств с красными и желтыми светодиодами.

После завершения эпитаксиального роста MOCVD для изготовления светодиодных чипов на основе GaN требуется серия процессов формирования рисунка на фотошаблонах и физического травления или осаждения.Базовая структура обычных синих и зеленых светодиодных чипов требует следующей последовательной обработки устройства на эпитаксиальной пластине: (1) травление локальной области, чтобы обнажить проводящий слой GaN n-типа; (2) Испарение прозрачной проводящей пленки NiAu или ITO; (3)) Проволочный электрод, осажденный из паровой фазы, включая p-электрод и n-электрод; (4) Защитный слой от парообразования. Процесс обработки чипов требует строгого управления качеством, чтобы избежать таких проблем, как недостаточная механическая адгезия прокладки и загрязнение поверхности посторонними предметами, которые могут легко вызвать отказ устройства во время процесса упаковки.

Зеленый свет полезнее для растений, чем вы думаете — Urban Ag News

Цинву (Уильям) Мэн

Вы рассматриваете новые светодиоды для вертикальных ферм. Какие цвета выбрать? Что лучше: классический красный и синий свет или широкий спектр белого света? В основном все сводится к тому, полезен ли зеленый свет для растений, сколько он стоит и как мы его воспринимаем.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно лучше понять свет и то, как растения его используют.

Как и радуга, свет бывает разных цветов в зависимости от длины волны. Радуга имеет свет от фиолетового до красного (от 400 до 700 нм). Наша зрительная чувствительность достигает пика в зеленом свете (от 500 до 600 нм) и спадает в синем (от 400 до 500 нм) и красном свете (от 600 до 700 нм). У растений тоже есть «глаза» для света, но их «глаза» воспринимают свет иначе, чем наши. Они используют не только видимый нами свет, но также ультрафиолетовый (УФ, от 100 до 400 нм) и дальний красный свет (от 700 до 800 нм) за пределами видимых длин волн.

Свет дает энергию для фотосинтеза. Наиболее важными растительными пигментами в фотосинтезе являются хлорофиллы, которые поглощают красный и синий свет, отражая зеленый свет обратно в наши глаза. Тот факт, что растения поглощают свет избирательно, объясняет, почему большинство листьев зеленые. Красный и синий свет считаются наиболее эффективными частями светового спектра для фотосинтеза на основе классической кривой фотосинтеза, созданной доктором Китом МакКри в 1970-х годах (McCree, 1971). Хотя красный свет кажется даже более эффективным, чем синий, производители светодиодов по-прежнему добавляют немного синего света, пытаясь активировать хлорофиллы и сбалансировать форму растений.

Означает ли это, что зеленый свет бесполезен для растений? Для группы исследователей из Университета штата Юта (Snowden et al., 2016), использующих свет для повышения продуктивности растений, это решительный отказ. Когда в спектре света до 30% зеленого света, оказывается, что он, как правило, не хуже красного и синего света для увеличения биомассы растений. В то время как верхние листья растения поглощают большую часть красного и синего света, они пропускают больше зеленого света нижним листьям для фотосинтеза. Между тем, другие пигменты, такие как фикоэритрин, могут хорошо поглощать зеленый свет, стимулируя фотосинтез.Зеленый свет также может способствовать удлинению стебля и, таким образом, увеличивает захват света для растений.

Более того, кривая МакКри имеет свои ограничения. Он основан на мгновенных измерениях отдельных листьев при слабом освещении. Поскольку растения постоянно приспосабливаются к окружающей среде и извлекают из нее максимум пользы, кривая МакКри не может предсказать, как растения будут расти в долгосрочной перспективе. Таким образом, это делает его полезным только в определенных ситуациях. Кроме того, самый низкий провал кривой МакКри на самом деле находится в верхней синей области, а не в зеленой.

Более практическая причина исключения зеленых светодиодов связана с тем, что мы называем «зеленым промежутком». Наиболее важным материалом в зеленых светодиодах является нитрид галлия (GaN). Там положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны объединяются, чтобы генерировать свет. Однако электрическое поле в GaN находится между ними, чтобы уменьшить светоотдачу. В результате зеленые светодиоды гораздо менее энергоэффективны, чем красные и синие светодиоды, и излучают меньше света, используя такое же количество энергии.

Пока инженеры и физики преодолевают «зеленый пробел» за счет производства инновационных материалов, есть еще один способ получить зеленый свет.Если вы нанесете желтое люминофорное покрытие на синие светодиоды, оно преобразует часть синего света в зеленый и красный свет. Эти три цвета света вместе производят белый свет. Хотя преобразование люминофора делает белые светодиоды менее эффективными, чем красные и синие, есть и положительный момент. Белый свет облегчает обнаружение вредителей, болезней и дефицита питательных веществ.

Так как растения могут хорошо использовать зеленый свет, включать ли его зависит от других целей. Чтобы создать приятную рабочую среду, лучше всего подойдут белые светодиоды.Чтобы использовать меньше энергии для того же количества света, лучше всего подходят красные и синие светодиоды. Как бы то ни было, влияние зеленого света на рост растений не должно быть препятствием для принятия решений. Однако реакция на зеленый свет может различаться для разных видов растений, поэтому важно провести собственное испытание.

Может быть неплохо включить зеленый свет при сохранении урожайности, но все еще неясно, как зеленый свет может повлиять на качественные характеристики растений, такие как цвет, вкус и текстура.Новая лаборатория освещения с контролируемой средой (CELL) в Университете штата Мичиган ставит перед собой задачу решить эти проблемы.

Некоторые производители светодиодов осознали, насколько сложным, но полезным может быть зеленый свет для домашнего хозяйства. Osram недавно разработала регулируемые светодиоды с несколькими цветовыми каналами, включая зеленый, в первую очередь для исследовательских приложений. Компания Fluence Bioengineering является ярым сторонником белых светодиодов. Текущие исследования даже расширяют границы освещения растений за пределы красного, зеленого и синего света, потому что дальний красный и ультрафиолетовый свет также играют уникальную роль в росте растений.Наши быстрорастущие знания о том, как растения реагируют на свет, позволят определить полезные сочетания света и, в конечном итоге, помогут производителям повысить урожайность и качество своей продукции.

---

Чтобы узнать больше о зеленом свете, прочтите эту статью в разделе «Новости тепличных продуктов».

Список литературы

МакКри, К.Дж., 1971. Спектр действия, поглощение и квантовый выход фотосинтеза у сельскохозяйственных культур. Сельскохозяйственная метеорология , 9 , стр.191-216.

Сноуден, М.С., Коуп, К.Р. и Багби, Б., 2016. Чувствительность семи различных видов к синему и зеленому свету: взаимодействие с потоком фотонов. PloS one , 11 (10), p.e0163121.

Биография

Цинву (Уильям) Мэн — доктор философии. студент факультета садоводства в Университете штата Мичиган и создатель LightHort, научного блога, который сообщает общественности об исследованиях садоводческого освещения. Он использует свет для повышения урожайности и качества пищевых культур, выращиваемых в контролируемых условиях.Ранее он получил степень бакалавра сельскохозяйственной и экологической инженерии в Китайском сельскохозяйственном университете и степень магистра садоводства в Университете штата Мичиган.

Руководство по проектированию светодиодных схем, основам и эксплуатации светодиодов

Аннотация: В течение многих лет светоизлучающие диоды (LED) были популярным выбором для использования в дисплеях состояния и матричных панелях. Теперь вы можете выбирать между недавно разработанными синими и белыми типами (широко используемыми в портативных устройствах), а также широко распространенными зелеными, красными и желтыми типами.Например, белые светодиоды считаются идеальным фоновым освещением для цветных дисплеев. Но при проектировании источников питания для них следует учитывать особенности, присущие этим новым светодиодным устройствам. В этой статье описываются свойства старых и новых светодиодов, а также характеристики, необходимые для источников питания, которые их активируют.

Стандартные красные, зеленые и желтые светодиоды

Самый простой способ управлять светодиодом — это подать на него источник напряжения с последовательно включенным резистором. Светодиод излучает свет постоянной интенсивности, пока рабочее напряжение (V _B ) остается постоянным (хотя интенсивность уменьшается с увеличением температуры окружающей среды).Вы можете изменять интенсивность света по мере необходимости, изменяя номинал резистора.

Для стандартного светодиода диаметром 5 мм: Рисунок 1 показывает прямое напряжение (V _F ) в зависимости от прямого тока (I _F ). Обратите внимание, что падение напряжения на светодиоде увеличивается с увеличением прямого тока. Предполагая, что один зеленый светодиод с прямым током 10 мА должен иметь постоянное рабочее напряжение 5 В, последовательный резистор R _В равен (5 В-В _{F, 10 мА} ) / 10 мА = 300 Ом. Прямое напряжение составляет 2 В, как показано на графике типичных рабочих условий, приведенном в техническом паспорте (, рис. 2, ).

Рисунок 1. Стандартные красный, зеленый и желтый светодиоды имеют прямое напряжение в диапазоне от 1,4 В до 2,6 В, в зависимости от желаемой яркости и выбора прямого тока. Для прямого тока ниже 10 мА прямое напряжение изменяется всего на несколько сотен милливольт.

Рис. 2. Последовательный резистор и источник постоянного напряжения обеспечивают простой способ работы светодиода.

Товарные диоды, подобные этому, производятся на основе комбинации галлия, арсенида и фосфида.Простые в обращении и известные большинству инженеров-проектировщиков, они обладают рядом преимуществ:

• Излучаемый цвет (длина излучаемой волны) остается относительно постоянным при изменении прямого тока, рабочего напряжения и температуры окружающей среды. Стандартные зеленые светодиоды излучают длину волны около 565 нм с небольшим допуском всего 25 нм. Параллельная работа нескольких таких светодиодов не представляет проблемы (, рис. 3, ), поскольку цветовые различия очень малы. Нормальные колебания прямого напряжения вызывают небольшие различия в интенсивности света, но они также незначительны.Как правило, различиями между светодиодами одного производителя и одной партии можно пренебречь.
• Прямые напряжения мало изменяются при прямом токе примерно до 10 мА. Разница составляет около 200 мВ для красных светодиодов и около 400 мВ для других цветов (рисунок 1).
• Для прямых токов ниже 10 мА прямое напряжение намного меньше, чем для синих или белых светодиодов, что позволяет недорого работать непосредственно от элемента Li + или тройного элемента NiMH.

Рисунок 3.В показанной конфигурации параллельно работают несколько красных, желтых или зеленых светодиодов с очень небольшой разницей в цвете или вариациями яркости.

Таким образом, стоимость электроэнергии для эксплуатации стандартных светодиодов довольно низкая. Повышающие преобразователи или сложные и дорогие источники тока не нужны, если рабочее напряжение светодиода выше, чем его максимальное прямое напряжение.

Эти светодиоды могут работать даже непосредственно с Li + или тройными NiMH элементами, если приложение допускает снижение интенсивности света по мере разряда аккумуляторных элементов.

Синие светодиоды

Светодиоды, излучающие синий свет, долгое время отсутствовали. Только инженеры-конструкторы могли прибегнуть к уже существующим цветам — красному, зеленому и желтому. Ранние «синие» устройства на самом деле были не синими светодиодами, а небольшими лампочками накаливания, окруженными диффузором синего цвета.

Первые «настоящие синие» светодиоды были разработаны несколько лет назад с использованием чистого кремний-углеродного материала (SiC), но их световая эффективность была низкой. В устройствах следующего поколения использовался базовый материал из нитрида галлия, который достиг световой эффективности в несколько раз по сравнению с первыми версиями.Сегодняшний материал для эпитаксии синих светодиодов называется нитрид индия-галлия (InGaN). Излучающие длины волн в диапазоне от 450 до 470 нм, светодиоды InGaN производят в пять раз большую интенсивность света, чем светодиоды из нитрида галлия.

Белые светодиоды

Настоящие светодиоды, излучающие белый свет, недоступны. Такое устройство сложно построить, потому что светодиоды обычно излучают одну длину волны. Белый не появляется в спектре цветов; вместо этого для восприятия белого требуется сочетание длин волн.

Уловка используется для изготовления белых светодиодов.Основной материал InGaN, излучающий синий цвет, покрыт материалом-преобразователем, который излучает желтый свет при воздействии синего света. В результате получается смесь синего и желтого света, которая воспринимается глазом как белый ( Рисунок 4 ).

Рис. 4. Длина волны излучения белого светодиода (сплошная кривая) включает пики в синей и желтой областях, но человеческий глаз интерпретирует их как белый свет. Относительная светочувствительность человеческого глаза (пунктирная кривая) показана для сравнения.

Цвет белого светодиода определяется цветовыми координатами. Значения для этих координат X и Y рассчитываются в соответствии с инструкциями, содержащимися в публикации 15.2 Международной комиссии по охране окружающей среды (CIE). В таблицах данных для белых светодиодов часто указывается изменение этих цветовых координат с увеличением прямого тока ( Рисунок 5 ).

Рис. 5. Изменение прямого тока приводит к сдвигу координат цветности белого светодиода (LE Q983 от OSRAM Opto Semiconductors) и, следовательно, качества его белого света.

К сожалению, светодиоды InGaN не так просты в обращении, как стандартные зеленые, красные и желтые светодиоды. Доминирующая длина волны (цвет) светодиода InGaN изменяется в зависимости от прямого тока (, рис. 6, ). Белые светодиоды, например, демонстрируют изменение цвета из-за различных концентраций материала преобразователя в дополнение к изменению длины волны с прямым напряжением для материала InGaN, излучающего синий цвет. Это изменение цвета можно увидеть на рисунке 5, где смещение координат X и Y означает изменение цвета.(Как упоминалось ранее, белые светодиоды не имеют определенной длины волны.)

Рис. 6. Увеличение прямого тока изменяет оттенок синего светодиода, изменяя его излучаемую длину волны.

Прямое напряжение сильно изменяется при прямом токе до 10 мА. Диапазон изменения составляет около 800 мВ (некоторые типы диодов меняются еще больше). Таким образом, изменение рабочего напряжения, вызванное разрядом батареи, меняет цвет, потому что изменение рабочего напряжения изменяет прямой ток.При прямом токе 10 мА прямое напряжение составляет около 3,4 В (это количество зависит от производителя и колеблется от 3,1 до 4,0 В). Вольт-амперная характеристика также сильно меняется от светодиода к светодиоду (см. Ниже). Управлять светодиодом напрямую от батареи сложно, потому что состояние разряда большинства батарей ниже минимально необходимого прямого напряжения светодиода.

Рабочие белые светодиоды параллельно

Многие портативные устройства и устройства с батарейным питанием используют белые светодиоды для фоновой подсветки.В частности, для цветных дисплеев КПК требуется белая подсветка для получения цветопередачи, близкой к исходной. Будущие мобильные телефоны 3G будут поддерживать изображение и видео, для которых требуется белая подсветка. Цифровые фотоаппараты, MP3-плееры и другое видео- и аудиооборудование также включают дисплеи, для которых требуется белая подсветка.

В большинстве случаев одного белого светодиода недостаточно, поэтому необходимо использовать несколько одновременно. Необходимо предпринять специальные меры, чтобы убедиться, что их интенсивность и цвет совпадают, даже если заряд аккумулятора и другие условия различаются.

На рисунке 7 показаны вольт-амперные кривые для группы случайно выбранных белых светодиодов. Подача напряжения 3,3 В на эти светодиоды (верхняя пунктирная линия) создает прямые токи в диапазоне от 2 мА до 5 мА, что, в свою очередь, дает различные оттенки белого цвета. Координата Y, в частности, сильно изменяется в этой области (рис. 5), что приводит к неверному воспроизведению цвета на освещенном дисплее. Светодиоды также имеют разную интенсивность света, что создает неоднородное освещение.Еще одна проблема — необходимое минимальное напряжение питания. Для работы светодиодов необходимо напряжение значительно выше 3 В. Ниже этого уровня некоторые светодиоды могут оставаться полностью темными.

Рис. 7. Эти кривые демонстрируют значительные различия вольт-амперных характеристик белых светодиодов, даже если они были выбраны случайным образом из одной и той же производственной партии. Таким образом, параллельная работа нескольких таких светодиодов при постоянном напряжении 3,3 В (верхняя пунктирная линия) дает разные оттенки белого и разную яркость.

Литий-ионный аккумулятор при полной зарядке обеспечивает выходное напряжение 4,2 В, которое падает до номинального 3,5 В после короткого периода работы. Это напряжение далее снижается до 3,0 В по мере разряда батареи. Если белые светодиоды работают непосредственно от аккумулятора, как показано на рисунке 3, возникают следующие проблемы:

Сначала, когда аккумулятор полностью заряжен, все светодиоды светятся, но с разными оттенками интенсивности и цвета света. Когда напряжение батареи падает до номинального уровня, яркость света уменьшается, а различия в белом цвете становятся сильнее.Поэтому разработчик должен учитывать значение напряжения батареи и прямого напряжения диода, на которое рассчитывается последовательный резистор. (При полностью разряженной батарее некоторые светодиоды будут полностью темными.)

Нагнетательный насос с регулятором тока

Целью источника питания светодиодов является обеспечение достаточно высокого выходного напряжения и протекание одного и того же тока через все светодиоды, подключенные параллельно. Обратите внимание (рисунок 5), что если все белые светодиоды параллельной конфигурации имеют одинаковые токи, все они будут иметь одинаковые координаты цветности.Для этой цели компания Maxim предлагает зарядный насос с регулировкой тока (MAX1912).

В параллельной конфигурации из трех светодиодов, показанной на рис. 8 , накачка заряда представляет собой крупномасштабный тип, который увеличивает входное напряжение в 1,5 раза. Более ранние насосы заряда просто удваивали входное напряжение, но этот новый метод обеспечивает лучшую эффективность. Входное напряжение повышается до уровня, при котором светодиоды могут работать. Резисторные сети, подключенные к SET (контакт 10), обеспечивают одинаковые токи во всех светодиодах.Внутренняя схема поддерживает напряжение SET на уровне 200 мВ, поэтому ток через любой светодиод можно рассчитать как I _LED = 200 мВ / 10 Ом = 20 мА. Если для некоторых диодов требуются более низкие уровни тока, вы можете использовать более трех параллельно, потому что MAX1912 выдает до 60 мА. См. Лист данных MAX1912 для получения дополнительных сведений о применении и схемах.

Рис. 8. Эта ИС сочетает в себе подкачку заряда и управление током. Зарядный насос обеспечивает достаточное рабочее напряжение для белых светодиодов, а управление током обеспечивает однородный белый свет, пропуская одинаковые токи через каждый светодиод.

Простое управление током

Белыми светодиодами можно легко управлять, если система обеспечивает напряжение выше прямого напряжения диодов. Цифровые фотоаппараты, например, обычно включают источник питания +5 В. В этом случае вам не нужна функция усиления, потому что напряжение питания имеет запас, достаточный для работы светодиодов. Для схемы на Рисунке 8 следует выбрать согласованный источник тока. Например, MAX1916 может управлять до трех светодиодов параллельно (, рис. 9, ).

Рисунок 9. Один внешний резистор (R _SET ) программирует значение идентичных токов, подаваемых на каждый светодиод. Применение сигнала с широтно-импульсной модуляцией к разрешающему выводу (EN) этой ИС обеспечивает простую регулировку яркости (функция затемнения).

Операция проста: резистор R _SET программирует ток, который проходит через подключенные светодиоды. Такой подход занимает очень мало места на доске. Помимо микросхемы (небольшой 6-выводной корпус SOT23) и нескольких байпасных конденсаторов, требуется только один внешний резистор.Микросхема обеспечивает отличное согласование тока между светодиодами на 0,3%. Эта конфигурация обеспечивает идентичные местоположения цветности и, следовательно, идентичные типы белого света от каждого светодиода.

Регулировка яркости зависит от интенсивности света

Некоторые портативные устройства регулируют интенсивность своего светового потока в соответствии с условиями окружающего освещения, а другие снижают интенсивность света с помощью программного обеспечения после короткого интервала ожидания. Обе эти операции требуют, чтобы светодиоды были затемнены, и такая функция затемнения должна одинаково влиять на каждый прямой ток, чтобы избежать возможных сдвигов в координации цветности.Этого единообразия можно добиться с помощью небольшого цифро-аналогового преобразователя, который управляет током через резистор R _SET .

Преобразователь с 6-битным разрешением, такой как MAX5362, с интерфейсом, совместимым с I ² C *, или MAX5365, с интерфейсом, совместимым с SPI ™, делает возможной функцию затемнения с 32 ступенями интенсивности света ( Рисунок 10 ). Тип белого света светодиодов меняется с изменением яркости, потому что прямой ток влияет на координаты цветности.Это не должно быть проблемой, потому что одинаковые прямые токи заставляют каждый диод в группе излучать идентичный свет.

Рис. 10. Этот цифро-аналоговый преобразователь управляет затемнением светодиодов, изменяя их прямые токи в унисон.

Функция затемнения, для которой координаты цветности не перемещаются, называется широтно-импульсной модуляцией. Это может быть реализовано с большинством устройств питания, которые обеспечивают функцию включения или выключения. MAX1916, например, ограничивает ток утечки через светодиоды до уровня всего 1 мкА, как только компонент отключается путем понижения уровня EN.Результат — нулевое излучение света. Повышение уровня EN направляет запрограммированный прямой ток через светодиоды. Если вы применяете сигнал с широтно-импульсной модуляцией к EN, яркость пропорциональна скважности этого сигнала.

Координаты цветности не меняются, потому что каждый светодиод продолжает видеть один и тот же прямой ток. Однако человеческий глаз воспринимает изменение рабочего цикла как изменение яркости. Частоты выше 25 Гц не распознаются человеческим глазом, поэтому частота переключения 200–300 Гц является хорошим выбором для ШИМ-диммирования.Более высокие частоты могут вызвать проблемы, потому что координаты цветности могут смещаться в течение короткого интервала, необходимого для включения и выключения светодиодов. Сигнал PWM может подаваться с вывода ввода / вывода микропроцессора или одного из его периферийных устройств. Количество доступных шагов яркости зависит от ширины регистра счетчика, используемого для этой цели.

Повышающий преобразователь

с переключаемым режимом имеет контроль тока

Помимо упомянутого выше зарядного насоса (MAX1912), вы также можете реализовать повышающий преобразователь с контролем тока.Импульсный преобразователь напряжения MAX1848, например, генерирует выходное напряжение до 13 В, что достаточно для последовательного включения до трех светодиодов (, рис. 11, ). Этот подход, вероятно, самый чистый, потому что все светодиоды, соединенные последовательно, имеют одинаковый ток. Ток светодиода определяется R _SENSE и напряжением, подаваемым на вход CTRL.

Рис. 11. Этот импульсный повышающий преобразователь обеспечивает последовательную работу нескольких светодиодов. Все имеют одинаковый прямой ток, который регулируется через вход CTRL (например) цифро-аналоговым преобразователем.

MAX1848 может реализовать функцию затемнения в соответствии с любым из методов, описанных выше. Прямой ток через светодиоды пропорционален напряжению, приложенному к выводу CTRL. Поскольку MAX1848 переходит в режим выключения, когда напряжение, подаваемое на CTRL, становится ниже 100 мВ, вы также можете реализовать функцию затемнения с ШИМ.

Сводка

Белые светодиоды могут работать параллельно, если вы позаботитесь об обеспечении однородного белого света, уравняв их прямые токи.Для работы светодиодов выберите либо управляемый источник тока, либо комбинацию повышающего преобразователя с контролем тока. Используя зарядовые насосы или импульсные повышающие преобразователи, вы можете реализовать такие комбинации с несколькими стандартными продуктами.

Литература

1. Лист данных «LR5360, LS5360, LY5360, LG5360», OSRAM Opto Semiconductors, Регенсбург, 2001 г.
2. «Управление светодиодами на основе InGaN в параллельных схемах», Герхард Шарф, OSRAM Opto Semiconductors, ноябрь 2001 г.
3. Колориметрия, 2 ^{-е издание} , публикация CIE 15.2-1986, ISBN 3 900 734 00 3.
4. Лист данных «Hyper ChipLED LW Q983», OSRAM Opto Semiconductors, Регенсбург, 2001 г.
5. Лист данных MAX1912, Maxim Integrated, 2002: http://www.maximintegrated.com/max1912.

Интернет-кампус ZEISS Microscopy | Светодиоды

Введение

Среди наиболее перспективных технологий освещения в оптической микроскопии — светоизлучающие диоды ( LED ). Эти универсальные полупроводниковые устройства обладают всеми желательными характеристиками, которых нет у ламп накаливания (галоген вольфрамовые) и дуговых ламп, и теперь они достаточно эффективны, чтобы питаться от низковольтных батарей или относительно недорогих переключаемых источников питания.Разнообразный спектральный выход, обеспечиваемый светодиодами, позволяет выбрать отдельный диодный источник света для обеспечения оптимального диапазона длин волн возбуждения для флуорофоров, охватывающего ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области. Кроме того, более новые мощные светодиоды генерируют достаточную интенсивность, чтобы обеспечить полезный источник освещения для широкого спектра применений в флуоресцентной микроскопии (см. Таблицу 1), включая исследование фиксированных клеток и тканей, а также визуализацию живых клеток в сочетании с Frster. методы резонансной передачи энергии ( FRET ) и измерения срока службы ( FLIM ).Полная ширина на половине высоты ( FWHM ; полоса пропускания) типичного квазимонохроматического светодиода варьируется от 20 до 70 нанометров (см. Рисунок 1), что по размеру аналогично ширине полосы возбуждения многих синтетических флуорофоров и флуоресцентных белков. Как показано в таблице 1, светодиоды с длинами волн на выходе в диапазоне 400-465 нанометров демонстрируют уровни мощности, превышающие 20 милливатт / см ² , тогда как большинство светодиодов с более длинными длинами волн (от зеленого до красного) имеют выходную мощность менее 10 милливатт / см ² .Широкий спектральный профиль нескольких светодиодов в диапазоне от 535 до 585 нанометров обусловлен тем фактом, что эти диоды содержат вторичный люминофор, который возбуждается фиолетовым или ультрафиолетовым первичным светодиодом, что снижает выходную мощность и расширяет спектральный профиль. Таким образом, область возбуждения от зеленого до желто-оранжевого, одна из наиболее полезных для обычных флуорофоров, таких как TRITC, MitoTrackers и оранжевых или красных флуоресцентных белков, остается обратной стороной для тех приложений (таких как FRAP и фотоактивация), которые требуют высоких уровней света. .

По сравнению с лазерным светом, более широкая полоса пропускания, обеспечиваемая светодиодами, более полезна для возбуждения различных флуоресцентных датчиков, и по сравнению с чрезмерным теплом и непрерывным спектром, излучаемым дуговыми лампами, светодиоды холоднее, меньше по размеру и представляют собой гораздо более удобный механизм. для циклического включения и выключения источника, а также для быстрого выбора определенных длин волн. Коммерческие светодиодные осветительные устройства, предназначенные для флуоресцентной микроскопии, были представлены несколькими производителями, и, несмотря на более низкую интенсивность излучения по сравнению с яркими спектральными линиями ртутных и металлогалогенных дуговых ламп, текущие тенденции в развитии светодиодов указывают на ожидание значительного увеличения яркости. во всех диапазонах длин волн в ближайшие несколько лет.Кроме того, последние достижения в светодиодной технологии, направленные на производство кристаллов кристаллов, геометрия которых снижает потери света из-за внутреннего отражения, должны помочь в создании устройств, которые можно использовать практически во всех приложениях флуоресцентной микроскопии. На рисунке 1 показаны спектральные профили излучения светодиодов для нескольких имеющихся в продаже диодов. Спектры регистрировались в фокальной плоскости объектива микроскопа с помощью широкополосного зеркала, расположенного в оптическом блоке флуоресценции.Уровни мощности для этих светодиодов указаны в таблице 1 с использованием комплектов зеркальных и обычных флуоресцентных фильтров.

В отличие от дуговых ламп, которые демонстрируют высокую степень собственного излучения или яркости, светодиодная технология постепенно эволюционировала из элементарных устройств, которые в конце 1960-х годов были способны обеспечивать только тысячную часть люмена красного света. Однако за последние четыре десятилетия светодиоды развивались темпами, которые опережают микропроцессоры. Подобно предсказанию Гордона Э.Мур, что количество транзисторов в компьютерном чипе будет удваиваться каждые два года, ученый Agilent Technologies Роланд Хейтц предсказал, что яркость светодиодов будет увеличиваться в 20 раз каждые 10 лет. Фактически, то, что сейчас называется , Закон Хейтца оказался надежным, потому что светодиоды исторически удваивали яркость каждые два года и, как ожидается, продолжат этот резкий рост производительности. По мере увеличения их яркости и диапазона доступных цветов светодиоды находят применение во множестве новых приложений, включая роль энергоэффективной и долговечной замены ламп накаливания для домашнего и промышленного освещения.Кроме того, высокоэффективные светодиоды в настоящее время используются во множестве других промышленных, медицинских и военных приложений. Среди множества примеров — навигация, робототехника, машинное зрение, эндоскопия и диагностическое оборудование. В будущем должен увеличиться спрос на источники света высокой яркости на основе светодиодных устройств в областях экономики, которые имеют значительно большую рыночную силу, чем оптическая микроскопия. Этот спрос, без сомнения, станет движущей силой для разработки мощных светодиодов, излучающих во всех спектральных областях, таким образом, улучшая все способы освещения в оптической микроскопии.

Многие из первоначальных попыток использовать светодиоды в качестве источников света для микроскопии потерпели неудачу отчасти из-за низкой мощности излучения ранних устройств. В целом, ранее запатентованные конструкции освещения микроскопов основывались на большом количестве светодиодов, сгруппированных для создания однородной картины освещения. Этот подход обеспечил относительно высокий уровень лучистого потока, но не смог решить проблему низкой яркости, которая возникает из-за такого большого распределенного источника света (в отличие от характеристик точечного источника дугового разряда лампы).Доступные в настоящее время высокоэффективные светодиоды достаточно ярки, чтобы индивидуально функционировать как высокоэффективный источник монохроматического света с низкой пространственной когерентностью для наблюдений при флуоресцентном эпи-освещении или полихроматическом свете в проходящей микроскопии. Хотя их усредненная спектральная освещенность все еще ниже, чем у спектральных пиков мощной дугово-разрядной лампы HBO (ртуть) 100 Вт, она приближается к континууму дуговых ламп XBO (ксенон) 75 Вт во многих видимых областях. части спектра.

Светодиоды

значительно более эффективны, чем дуговые разрядные лампы, при преобразовании электричества в видимый свет, часто достигая выходной мощности до 100 люмен на ватт по сравнению с 22 люменами на ватт для 100-ваттного источника HBO. Эти полупроводниковые устройства прочны и компактны, и часто могут работать до 100 000 часов, что примерно в 500 раз дольше, чем ртутная лампа HBO. Некоторые зеленые светодиоды имеют КПД преобразования до 75 процентов, хотя устройства в этом диапазоне длин волн по-прежнему страдают от пониженной выходной мощности.Напротив, фиолетовые и синие светодиоды, имеющие светоотдачу 250 и 150 милливатт, соответственно, теперь коммерчески доступны, а аналогичные мощности для других длин волн должны появиться в ближайшем будущем. Выходная мощность светодиодов может модулироваться на высоких частотах (до 5 килогерц), а их выходная яркость может регулироваться путем управления доступным током. Эти преимущества устраняют необходимость в механических заслонках, а также в фильтрах нейтральной плотности для управления освещением образца в микроскопии.Хотя светодиоды имеют относительно узкие спектральные профили излучения, в большинстве случаев их все же необходимо использовать с интерференционными тонкопленочными фильтрами возбуждения для удаления остаточных длин волн на крайних участках (на спектральных хвостах).

Оптическая сила светодиодов

Флуорофор Возбуждение Категория Светодиод Обозначение Светодиод FWHM Полоса пропускания (нм) Мощность мВт / см 2 (LLG) a Мощность мВт / см 2 (Зеркало) b Флуоресценция Набор фильтров Возбуждение Ширина полосы (нм) Мощность мВт / см 2 (Комплект фильтров) b Ультрафиолет (DAPI, BFP) 400 393-408 748 23.3 DAPI c 365/10 0,09 Голубой (ECFP) 445 433-453 819 24,2 ECFP 114 д 440/20 9,0 Синий (EGFP, Cy2, AF488) 465 449-473 777 21.8 ET-GFP c 470/40 17,5 Сине-зеленый (EYFP) 505 491-520 308 6,4 ET-YFP c 500/20 2,8 Зеленый (AF532) 525 503-539 273 6.6 TRITC HQ c 545/30 1,5 Зеленый (TRITC, Cy3, AF546) 535 503-573 383 9,5 TRITC HQ c 545/30 2,6 Зелено-желтый (TRITC, Cy3) 565 515-594 333 7.3 TRITC HQ c 545/30 1,9 Зелено-желтый (TRITC, Cy3) 565 515-594 333 7,3 TR HQ c 560/55 3,2 Желтый (TR, MitoTracker) 585 547-613 348 5.9 TR HQ c 560/55 2,8 Апельсин (TR, mCherry) 595 587-604 112 2,7 TR HQ c 560/55 0,51 Красный (Cy5, AF635) 635 620-637 370 4.6 Cy5 XF110 d 630/50 3,5

Таблица 1

В таблице 1 представлены значения выходной оптической мощности и спектральная ширина полосы на полувысоте для нескольких светодиодов, излучающих в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах, которые в настоящее время используются в флуоресцентной микроскопии.Мощность каждого светодиода указана в милливатт / см ² и измерена на выходе из жидкостного световода (столбец LLG в таблице 1), а также в фокальной плоскости объектива микроскопа (40x флюорит сухой, числовой апертура = 0,85) с помощью радиометра на основе фотодиода. Для проецирования света через объектив и в датчик радиометра использовалось либо зеркало с коэффициентом отражения более 95% от 350 до 800 нанометров, либо стандартный набор флуоресцентных фильтров (значения указаны в столбцах, обозначенных Mirror и Filter Set , соответственно, в таблице 1).Потери пропускания света в системе освещения микроскопа могут варьироваться от 95 до 99 процентов входной мощности, в зависимости от количества фильтров, зеркал, призм и линз в оптической системе. Для типичного инвертированного микроскопа исследовательского уровня, подключенного к внешнему светодиодному источнику освещения, менее 3 процентов света, выходящего из жидкого световода, доступно для возбуждения флуорофоров, расположенных в фокальной плоскости объектива. Аналогичная степень потери света происходит с внешними металлогалогенными источниками света, подключенными к микроскопу через жидкостный световод, а также с традиционными ксеноновыми и ртутными дуговыми газоразрядными лампами, прикрепленными непосредственно к осветителю через лампу.

В коммерческих светодиодных лампах можно легко заменить отдельные диодные модули, чтобы получить ширину полосы возбуждения, подходящую для различных флуорофоров, используемых в каждом эксперименте. Интенсивность каждого светодиодного модуля также может быть независимо отрегулирована с точными электрическими шагами (в процентах от максимальной мощности), так что периоды возбуждения освещения могут быть сбалансированы с чувствительностью детектора, чтобы избежать фототоксичности образца. Еще одним преимуществом светодиодов является их способность мгновенно загораться с полной интенсивностью после подачи электрического тока.В отличие от ламп дугового разряда и ламп накаливания, светодиоды можно многократно модулировать, а также включать и выключать, не оказывая отрицательного воздействия на срок их службы. Кроме того, без механических частей полностью электронная диодная система освещения лишена проблемных вибраций, вызываемых движением заслонки и нейтральной плотности фильтра.

Уникальным аспектом светодиодного освещения является выдающаяся пространственная и временная стабильность (по сравнению с традиционными источниками освещения), которая позволяет использовать высокоточные методы количественного анализа в течение продолжительных периодов времени.Светодиоды регулируются полностью обратимым фотоэлектрическим эффектом во время работы. В результате светодиоды имеют самые низкие рабочие температуры среди всех источников света в оптической микроскопии и являются одними из самых стабильных во временном и пространственном отношении, а также в распределении длин волн. Кроме того, при условии, что светодиоды работают при правильном напряжении и токе, они имеют значительно более длительный срок службы, чем любой из других доступных в настоящее время источников света (см. Рисунок 2). Срок службы ртутных и ксеноновых дуговых ламп составляет от 200 до 400 часов (соответственно), тогда как срок службы металлогалогенных источников составляет 2000 часов и более.Срок службы вольфрамово-галогенных ламп накаливания составляет от 500 до 2000 часов, в зависимости от рабочего напряжения. Напротив, многие светодиодные источники демонстрируют срок службы более 10 000 часов без значительной потери интенсивности, а некоторые производители гарантируют срок службы 100 000 часов до того, как интенсивность источника упадет до 70 процентов от первоначального значения.

Все лампы, излучающие значительный уровень тепла, включая светодиоды, также демонстрируют зависимость мощности излучения от температуры источника.Для ламп накаливания и дуговых ламп требуется период до одного часа, пока источник освещения не станет достаточно стабильным, чтобы обеспечить воспроизводимые измерения или собрать покадровые видеопоследовательности без значительных временных изменений интенсивности. Этот длительный период ожидания не требуется для светодиодов, которые могут реагировать очень быстро (в течение нескольких микросекунд). Однако версии с самой высокой мощностью также могут выделять значительное количество тепла (примерно от 60 до 70 процентов своей выходной мощности) во время прогрева и, из-за их высокой скорости, подвержены высокочастотной нестабильности в источнике питания.При работе светодиодов изменение тока может вызвать сдвиг пика излучения, который по величине аналогичен тому, который наблюдается в линиях дуговых ламп. Этот эффект часто возникает, если кристалл светодиода не является идеально однородным, а величина сдвига часто зависит от типа и качества полупроводникового кристалла, используемого при изготовлении устройства. Стабильность длины волны может быть обеспечена при использовании светодиодов путем калибровки спектрального выхода с рабочим током до начала экспериментов.

Кремниевые диоды

излучают свет в ближней инфракрасной ( IR ) области, но диоды, сделанные из других полупроводников, могут излучать в видимой и ближней ультрафиолетовой ( UV ) длинах волн.Типичный светодиодный источник состоит из полупроводникового кристалла размером примерно от 0,3 x 0,3 миллиметра до 1-2 квадратных миллиметров. Наиболее распространенные кристаллы, используемые при изготовлении светодиодов, основаны на смесях элементов периодической таблицы Группы III и Группы V , таких как GaN (нитрид галлия), SiC (карбид кремния), ZnSe ( селенид цинка) и GaAlAsP (смесь галлия, алюминия, мышьяка и фосфора).Каждый из этих кристаллов излучает в своем диапазоне волн (см. Рисунок 1 и таблицу 2). Тщательный контроль относительных пропорций полупроводников, а также добавление легирующих добавок для изменения электронных свойств кристаллической решетки позволяет производителям и исследователям производить диоды, излучающие красный, оранжевый, желтый или зеленый свет. Спектральная полоса этих излучений обычно составляет от 12 до 40 нанометров без значительных внеполосных компонентов в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне длин волн (спектральные области, вредные для визуализации живых клеток).Применение карбида кремния и нитрида галлия в светодиодах привело к появлению устройств, которые излучают в синей области (полезно для возбуждения голубых, зеленых и желтых вариантов флуоресцентных белков), в то время как сочетание нескольких цветов в разных пропорциях может генерировать различные цветовые температуры белого свет для применений в проходящей микроскопии.

В типичной конфигурации для освещения оптической микроскопии одна или несколько матриц встроены в большую светодиодную структуру для защиты и более эффективного сбора света, а также для упрощения электрического подключения и термического обращения.Одним из основных преимуществ светодиодной технологии является то, что небольшие отдельные блоки могут быть объединены для создания источника света, форма которого лучше всего подходит для конкретного применения. Возможная геометрия источника ограничена только тепловыделением и допустимой плотностью корпуса устройства для поверхностного монтажа ( SMD ), используемой для интеграции ряда матриц на печатную плату. Таким образом, очень плотные, яркие, специально разработанные источники света могут быть изготовлены в соответствии с входными параметрами сбора целевой оптической системы.Основные свойства светодиодов

Основные характеристики светодиодов отличаются от характеристик других источников освещения, обычно используемых в оптической микроскопии. Таким образом, светодиоды составляют уникальную категорию некогерентных источников света, которые способны производить непрерывное и эффективное освещение от простого двухэлементного полупроводникового диода (называемого микросхемой или кристаллом ), заключенным в прозрачный эпоксидный корпус, который: во многих случаях он также выполняет двойную функцию проекционного объектива.Общая концепция работы со светодиодами чрезвычайно проста. В одной из двух полупроводниковых областей микросхемы преобладают отрицательные заряды (область n ), а в другой преобладают положительные заряды (область p ). Когда на электрические выводы подается достаточное напряжение, создается ток, когда электроны переходят через соединение между двумя полупроводниками из области n в область p , где отрицательно заряженные электроны объединяются с положительными зарядами.Промежуточная область или соединение между двумя полупроводниками известна как область истощения (см. Рисунок 3). Каждая рекомбинация зарядов, которая происходит в области обеднения, связана с уменьшением уровня энергии (равного заряду, умноженному на ширину запрещенной зоны, В (г) , полупроводника), что может высвободить квант электромагнитного излучения в форма фотона, имеющего энергию (и длину волны), равную энергии запрещенной зоны. Ширина полосы пропускания излучаемых фотонов является характеристикой полупроводникового материала (см. Таблицу 2), поэтому можно легко получить разные цвета, внося изменения в полупроводниковый состав кристалла.

Варианты цвета светодиода

Название цвета Длина волны (нанометров) Полупроводник Состав Ультрафиолет 395 InGaN / SiC Синий Фиолетовый 430 GaN / SiC Супер синий 470 GaN / SiC Зеленый 520 InGaN / Сапфир Чистый зеленый 555 GaP / GaP Зелено-желтый 567 GaP / GaP Желтый 585 GaAsP / GaP Оранжевый 605 GaAsP / GaP Супер оранжевый 612 АлГаИнП Супер красный 633 АлГаИнП Ультра красный 660 GaAlAs / GaAs Ближний инфракрасный 700 GaP / GaP Инфракрасный 880 GaAlAs / GaAs Бледно-белый 6500 К InGaN / SiC

Таблица 2

В качестве полупроводниковых материалов светодиоды обладают свойствами, общими с элементами кремниевой категории периодической таблицы, и демонстрируют переменные характеристики электропроводности.Типичные полупроводники демонстрируют значения электрического сопротивления, которые являются промежуточными между сопротивлениями проводников и изоляторов, и их поведение моделируется в терминах электронной зонной теории для твердых тел. В кристаллическом твердом теле электроны занимают большое количество энергетических уровней, которые сгруппированы в почти непрерывные энергетические зоны, ширина и расстояние между которыми значительно различаются в зависимости от конкретных свойств материала. На более высоких уровнях энергии две различные полосы, называемые полосами валентности и проводимости , используются для определения запрещенной зоны для конкретного материала.Электроны валентной зоны, которые образуют фиксированные локализованные связи между атомами в твердом теле, имеют более низкую энергию, чем электроны высокомобильной зоны проводимости. Проводники имеют перекрывающиеся валентные зоны и зоны проводимости, которые позволяют переходить валентным электронам в зону проводимости с образованием дырок, (вакансий с суммарным положительным зарядом) в валентной зоне. Электроны от соседних атомов могут легко мигрировать через решетку в дырки, создавая движение вакансий в противоположном направлении.Напротив, изоляторы имеют полностью занятые валентные зоны и гораздо большую ширину запрещенной зоны, что требует значительных затрат энергии для перемещения валентных электронов в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны в полупроводниках небольшая, но конечная, и при комнатной температуре достаточно простого теплового возбуждения, чтобы переместить часть электронов в зону проводимости. Большинство электронных устройств, содержащих полупроводники (такие как диоды и транзисторы), спроектированы таким образом, что требуется приложение напряжения для создания изменений в распределении электронов между валентной зоной и зоной проводимости, необходимых для протекания тока.Между различными полупроводниками существует большая разница в потенциале запрещенной зоны, хотя расположение зон во всех этих материалах схоже. Кремний, который является самым простым внутренним полупроводником, не имеет соответствующей структуры запрещенной зоны, которая могла бы быть полезной сама по себе в конструкции светодиода (но кремний все еще используется во многих других устройствах, включая интегральные схемы). Однако характеристики проводимости кремния могут быть улучшены путем легирования (рис. 3), которое вводит незначительные количества примесей для образования дополнительных электронов или вакансий (дырок) в естественной кристаллической структуре.

Процесс легирования лучше всего описать, используя элемент кремний, член группы IV периодической таблицы. Кремний имеет четыре валентных электрона, которые участвуют в связывании с соседними атомами в чистом кристалле, не оставляя дефицита или избытка. Если небольшое количество элемента группы III (имеющего три валентных электрона) смешать с твердым кремнием, теперь доступно недостаточное количество электронов, чтобы удовлетворить все требования связывания, создавая дыры в кристалле и создавая чистый положительный заряд для классификации. легированный кремний как полупроводник типа p .Бор является одним из элементов, которые обычно используются для легирования чистого кремния для достижения характеристик типа p . Напротив, добавление элемента группы V , такого как фосфор (имеющий пять валентных электронов), к чистому кремнию генерирует полупроводник типа n , который имеет чистый отрицательный заряд из-за дополнительных валентных электронов. Два наиболее распространенных полупроводниковых элемента, кремний и германий, обычно не подходят для создания светодиодов из-за значительного количества тепла, выделяемого на переходах, а также из-за низкого уровня излучения видимого и инфракрасного света.

Переходы излучающего фотоны диода p-n обычно основаны на смеси элементов группы III и группы V , таких как галлий, мышьяк, фосфор, индий и алюминий. Относительно недавнее добавление карбида кремния и нитрида галлия к этой палитре полупроводников привело к появлению диодов с синим светом, которые можно комбинировать с другими цветами или вторичными люминофорами для получения светодиодов, излучающих белый свет. Фундаментальным ключом к изменению свойств светодиодов является электронная природа перехода p-n между двумя разными полупроводниковыми материалами.При плавлении разнородных легированных полупроводников поток тока в переход и характеристики длины волны излучаемого света определяются электронным характером каждого материала. В общем, ток будет легко течь в одном направлении через переход, но не в другом, что составляет базовую конфигурацию диода. Этот тип поведения лучше всего понять с точки зрения перехода электронов и дырок в двух материалах и через переход. Электроны из полупроводника типа n перемещаются в положительно легированный полупроводник (типа p ), в котором есть свободные дырки, позволяя электронам «прыгать» от дырки к дырке.Результатом этой миграции является то, что дырки, кажется, движутся в противоположном направлении или от положительно заряженного полупроводника к отрицательно заряженному полупроводнику. Электроны из области типа n и дырки из области типа p рекомбинируют в окрестности перехода с образованием обедненной области (рис. 3), в которой не остается носителей заряда. Таким образом, в области истощения устанавливается статический заряд, который препятствует протеканию тока, если не приложено внешнее напряжение.

Чтобы сконфигурировать диод, на противоположных концах полупроводникового устройства p-n помещают электроды для подачи напряжения, которое способно преодолеть влияние области истощения. Обычно область типа n подключается к отрицательному выводу, а область типа p подключается к положительному выводу (известная как , смещающая вперед переход), так что электроны будут течь из n — наберите материал в сторону типа p , и отверстия будут двигаться в противоположном направлении.В результате зона обеднения исчезает, и электрический заряд перемещается по диоду с электронами, движущимися к переходу из материала типа n , тогда как дырки перемещаются к переходу из материала типа p . Комбинация дырок и электронов, текущих в переход, позволяет поддерживать постоянный ток через диод. Хотя контроль взаимодействия между электронами и дырками в переходе p-n является фундаментальным элементом конструкции всех полупроводниковых диодов, основной целью светодиодов является эффективное генерирование света.Производство видимого света из-за инжекции носителей заряда через переход pn имеет место только в полупроводниковых диодах с особым составом материалов, что привело к поиску новых комбинаций, обеспечивающих необходимую ширину запрещенной зоны между зоной проводимости и орбиталями валентная зона. Кроме того, продолжаются исследования по разработке архитектур светодиодов, которые минимизируют поглощение света диодными материалами и более надежны при концентрации излучения света в определенном направлении.Светодиодная конструкция

Среди важнейших аспектов производства светодиодов — природа элементов, используемых для полупроводников типа n и p , а также их физическая геометрия, конструкция корпуса устройства и конфигурация пути выхода света. . Базовая структура типичного светодиода состоит из полупроводникового материала (кристалла или кристалла), рамы, на которой установлен кристалл, и герметизирующего материала, окружающего сборку (см. Рисунок 4). В большинстве случаев полупроводник СИД поддерживается в чашке отражателя, которая прикреплена к электроду (катоду), а верхняя поверхность микросхемы соединяется золотой проволокой со вторым электродом (анодом).Некоторые из более сложных конструкций переходных структур требуют двух соединительных проводов, по одной на каждый электрод. Помимо очевидного различия в длине волны излучения разных светодиодов, существуют также различия в форме, размере и диаграмме направленности. Полупроводниковые светодиодные чипы имеют размер до нескольких квадратных миллиметров, а система корпус / линза варьируется от 2 до 10 миллиметров в диаметре. Чаще всего КОРПУС светодиода имеет полусферическую геометрию, но они также могут быть прямоугольными, квадратными, треугольными или многоугольными.

На рисунке 4 представлены архитектурные детали двух популярных конструкций светодиодных корпусов. Обычный полусферический 5-миллиметровый светодиод с выводной рамкой, показанный на рисунке 4 (а), обычно используется в качестве индикаторной лампы для электронных приборов. Эпоксидные смолы используются для заливки герметизирующей системы в этих светодиодах, которые также имеют цилиндрическую и прямоугольную геометрию линз. Матрица закреплена в конической чашке отражателя, которая припаяна к катодному выводу, а анод соединен с матрицей с помощью соединительной проволоки.Свет, исходящий от боковых сторон светодиода, отражается чашей в эпоксидный КОРПУС. Плоское литье в основании эпоксидного купола служит индикатором полярности свинца. Обычно эти индикаторные светодиоды содержат матрицу размером от 0,25 до 0,3 миллиметра по бокам, а диаметр линзы составляет от 2 до 10 миллиметров. Поперечное сечение мощного перевернутого диода GaInN , показанное на рисунке 4 (b), построено на алюминиевой или медной вставке радиатора, которую можно припаять к печатной плате для более эффективного отвода тепла.Инкапсуляция кристалла представляет собой защитный силиконовый слой, предназначенный для преодоления полного внутреннего отражения излучаемых волновых фронтов и их направления через большую пластиковую линзу. Золотая проволока служит для подключения большого катодного вывода к кристаллу, который установлен на кремниевом кристалле для защиты от электростатического разряда. Анод (не показан) по конфигурации аналогичен катоду, но выступает из упаковки в противоположном направлении. Светодиоды этой конструкции в настоящее время являются предпочтительным выбором для освещения в флуоресцентной микроскопии.

Цвет излучения светодиода определяется комбинацией полупроводников, используемых в процессе производства, тогда как оптические характеристики обычно контролируются переменными в упаковке. Угол луча может варьироваться от узкого до широкого (см. Рисунок 5) и определяется формой чашки отражателя, размером и критериями конструкции полупроводника, расстоянием от поверхности кристалла до верхней части корпуса или системы линз. , и геометрия линзы. Профили излучения светодиодов обычно можно разделить на два класса: краевые излучатели (рис. 4 (а)) и поверхностные излучатели (рис. 4 (б)).Большинство поверхностных излучателей демонстрируют диаграмму излучения Ламберта (см. Рисунок 5 (d)), где профиль интенсивности пропорционален косинусу угла излучения, который измеряется от оси, перпендикулярной поверхности кристалла. Напротив, краевые излучатели обычно излучают свет из небольшой области (размером примерно 50 микрометров) на сторонах кристалла по сложной схеме, зависящей от оси. Свет, выходящий из краевого излучателя, является несимметричным, с быстрой осью , перпендикулярной размеру бокового края, и медленной осью , параллельной кристаллу.Чтобы сфокусировать и коллимировать свет со всех четырех сторон светодиода с торцевым излучателем, кристалл обычно помещается внутри отражающей чашки (рис. 4 (а)) за счет увеличения размера источника.

На рис. 5 (d) показаны диаграммы излучения в дальней зоне для светодиодов с плоскими (рис. 5 (а)), полусферическими (рис. 5 (b)) и параболическими (рис. 5 (с)) линзами. Три диаграммы излучения на Рисунке 5 (d) нормализованы и наложены друг на друга для сравнения. Обратите внимание, что при F = 60 диаграмма излучения планарного ламбертовского диода уменьшается до 50 процентов от его максимального значения, тогда как полусферический светодиод имеет более симметричное распределение.Тонирование, которое применяется к некоторым линзам из эпоксидной смолы, не определяет цвет излучения светодиода, а скорее используется как удобный индикатор цвета лампы в неактивном состоянии. Конструкции светодиодов, предназначенные для приложений, требующих высокой интенсивности (например, флуоресцентной микроскопии), обычно имеют прозрачные линзы без оттеночных или диффузионных добавок. Эта конфигурация обеспечивает самый высокий уровень светоотдачи и обычно предназначена для использования луча нестандартной формы для наиболее эффективной передачи света в систему собирающих или проекционных линз.В качестве альтернативы светодиодные линзы диффузионного типа содержат встроенные частицы стекла, которые расширяют излучаемый световой конус под большим углом. Этот тип линз обычно используется в приложениях, в которых светодиоды видны напрямую, например, для индикаторных ламп на панелях оборудования.

При выборе материалов и технологий изготовления светодиодов руководствуются двумя основными целями: максимизация генерации света в гибридных полупроводниковых материалах и эффективное извлечение света, создаваемого устройством.В типичных переходах pn электроны и дырки из материалов типа n и p (большинство носителей ) вводятся через переход, чтобы установить поток тока и произвести свет ( излучательная рекомбинация ) в определенном диапазоне длин волн. Этому процессу часто препятствует безызлучательная рекомбинация неосновных носителей (электроны в материалах типа p и дырки в материалах типа n ) с основными носителями.Кроме того, наличие примесей, структурных дислокаций и других кристаллических дефектов в полупроводниковых материалах может привести к актам безызлучательной рекомбинации, которые не приводят к испусканию фотона. Таким образом, одна из основных целей при разработке светодиодов — максимизировать излучательную рекомбинацию носителей заряда путем тщательного выбора подходящих полупроводниковых материалов для обеспечения соответствующей зонной структуры для получения подходящих значений квантовой эффективности. Другая важная цель, как более подробно обсуждается ниже, заключается в обеспечении того, чтобы максимально возможное количество света, генерируемого светодиодом, могло выходить из устройства и использоваться для освещения.

Длина волны (и цвет) света, излучаемого полупроводниковым диодом, определяется разницей в энергии между рекомбинирующими электронно-дырочными парами валентной зоны и зоны проводимости, как описано ранее. Приблизительные энергии носителей соответствуют верхнему энергетическому уровню валентной зоны и наименьшей энергии зоны проводимости. В результате длина волны испускаемого фотона (-1) аппроксимируется следующим выражением:

l =

h c / E _bg

, где h представляет постоянную Планка, c — скорость света и E _bg — энергия запрещенной зоны.Чтобы модулировать длину волны испускаемого излучения, необходимо тщательно выбирать ширину запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого для изготовления диода. Арсенид галлия является популярным диодным материалом и служит отличным примером того, как можно изменить структуру полупроводниковой полосы для изменения длины волны излучения светодиода. Ширина запрещенной зоны арсенида галлия составляет примерно 1,4 электрон-вольта, что дает излучение с длиной волны примерно 900 нанометров в ближней инфракрасной области. Чтобы увеличить частоту излучения для достижения длин волн в видимой красной области (650 нанометров), ширина запрещенной зоны должна быть увеличена примерно до 1.9 вольт. Это может быть достигнуто путем смешивания арсенида галлия с совместимым материалом, имеющим большую ширину запрещенной зоны (например, фосфид галлия; запрещенная зона составляет 2,3 электронвольта). Таким образом, светодиоды, изготовленные с использованием соединения GaAsP (фосфид арсенида галлия), могут быть настроены для создания запрещенной зоны, имеющей любое значение от 1,4 до 2,3 электрон-вольт, путем регулирования соотношения содержания мышьяка и фосфора. Другие комбинации полупроводников могут быть аналогичным образом применены для генерации длин волн излучения, охватывающих ближнюю ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области спектра.

Эффективное извлечение света, генерируемого светодиодами, — еще одна важная проблема при производстве этих полупроводниковых устройств. Поскольку область объемного обеднения внутри светодиодного кристалла является изотропным (ламбертовским) излучателем, обычно предполагается, что свет, покидающий переднюю поверхность кристалла, также будет изотропным во всех направлениях. Однако из-за явления полного внутреннего отражения только часть света, изотропно генерируемого в пределах полного объема полупроводникового кристалла, действительно может уйти во внешнюю среду.В большинстве случаев примерно 50 процентов света, генерируемого внутри, теряется из-за отражений и других явлений, и даже меньше света излучается под большими углами.

Согласно закону Снеллиуса свет может перемещаться из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления (фактически, из полупроводника в окружающую атмосферу) только в том случае, если выходящие волновые фронты пересекают границу раздела двух сред под углом меньше чем критический угол для двух сред.В типичном светодиоде с кубической геометрией только около 2 процентов генерируемого света может выходить через верхнюю поверхность (фактическое значение зависит от конкретных полупроводниковых материалов и характеристик перехода p — n ). Остальная часть поглощается полупроводником, как описано выше. В качестве примера на Фиг.6 показано ускользание света из слоистого полупроводника с показателем преломления n _s в эпоксидную линзу с более низким показателем преломления ( n _e ).Угол, образованный конусом эвакуации, определяется критическим углом, q _c , для двух материалов. Световые волны, выходящие из светодиода под углами менее q _c , уходят в эпоксидную смолу с минимальными потерями на отражение, в то время как волны, распространяющиеся под углами более q _c , испытывают полное внутреннее отражение на границе и не исчезают. Устройство. Однако из-за кривизны эпоксидного купола для примера на Рисунке 6 большинство световых волн, выходящих из полупроводникового материала, сталкиваются с границей раздела эпоксидная смола / воздух почти под прямым углом и выходят из корпуса с небольшими потерями на отражение.

Количество света, излучаемого светодиодом, зависит от количества поверхностей, через которые может выходить свет, и от того, насколько эффективно это может происходить на каждой поверхности. Почти все светодиодные структуры состоят из слоистой конфигурации, в которой используются процессы эпитаксиального роста кристаллов для последовательного нанесения серии материалов с согласованной решеткой друг на друга для настройки свойств кристалла. Можно использовать самые разные структурные комбинации, при этом каждая система имеет разную архитектуру слоев для оптимизации рабочих характеристик.В большинстве случаев требуется вторичный этап роста для нанесения монокристаллического слоя на поверхность материала подложки, выращенного в объеме. Среди соображений, необходимых для обеспечения высокого уровня производительности, — физические свойства полупроводниковых материалов, расположение перехода p — n (где происходит световое излучение) и строгий контроль кристаллических дефектов, все из которых могут повысить или понизить эффективность генерации света.

Эпитаксиальный рост кристаллов включает жидкое или химическое осаждение из паровой фазы одного материала на другой при попытке уменьшить дефекты в слоистой структуре, сохраняя близкое соответствие между постоянными атомной решетки и коэффициентом теплового расширения.Для производства эпитаксиальных слоев используется ряд методов, в том числе жидкофазная эпитаксия ( LPE ), парофазная эпитаксия ( VPE ), эпитаксиальное химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ) и молекулярно-лучевая эпитаксия ( MBE). ). Каждая методика имеет определенные преимущества в отношении оптимальных полупроводниковых материалов и условий окружающей среды для производства. Среди множества стратегий, лежащих в основе применения различных конфигураций слоистых полупроводников, являются микроструктурирование областей p и n , параметры перехода, требования к отражающему слою для увеличения внутренней квантовой эффективности, добавление буферных слоев с градиентным составом (предназначенных для устранения несоответствия решеток). между слоями), и целевые значения ширины запрещенной зоны для управления профилем излучения.

Источники освещения на основе светодиодов

, предназначенные для микроскопии, используют три различных принципа для отражения и сбора света, генерируемого внутри полупроводникового кристалла. В первом и наиболее распространенном подходе используется прозрачный формованный пластик (полимер) для сбора и фокусировки излучаемого света. Хотя этот метод подходит для применений с низким уровнем светлого поля, он не особенно полезен в общей микроскопии из-за ограниченной оптической мощности, доступной от одного диода. Второй подход включает организацию небольшого массива светодиодных кристаллов непосредственно на печатной плате и использование специальной коллекторной оптической системы.Плотность упаковки светодиодов ограничена только необходимостью связывать каждый кристалл с отдельными соединительными проводами и включать механизм для рассеивания тепла. Основным недостатком вложенных светодиодов на печатной плате является потеря света от краев устройств. Третий метод заключается в размещении кристалла светодиода в зеркальном колодце, который служит отражателем, а затем в упаковке этих блоков на печатную плату. Однако, поскольку отражатели больше отдельных матриц, этот метод приводит к более низкой плотности упаковки.

Поскольку каждый светодиодный кристалл представляет собой отдельный источник света, когда большая диодная матрица строится с использованием нескольких устройств, сбор излучаемого света требует другой стратегии, чем используется с обычными лампами. Самый эффективный механизм для сбора света от вложенных светодиодов включает применение матрицы микролинз, которая расположена на надлежащем расстоянии от печатной платы диода. Подходящая матрица линз может быть изготовлена ​​из формованного пластика или стекла и должна быть спроектирована так, чтобы каждый светодиод имел отдельную собирающую линзу.Затем матрица микролинз проецирует свет от отдельных источников в макроскопическую коллекторную линзу оптической системы микроскопа с меньшей числовой апертурой и большим фокусным расстоянием, чем это требовалось бы для традиционной лампы. В качестве дополнительного преимущества этот тип оптической системы демонстрирует более низкую степень хроматической и сферической аберрации. Основная цель конструкции микролинзы-светодиода (как и любого другого источника освещения) состоит в том, чтобы захватить как можно больше света и эффективно доставить его в угол приема оптической системы освещения микроскопа, чтобы полностью и однородно заполнить конденсорная (или объективная) апертурная диафрагма с осевым параллельным светом.Светодиоды белого света

Наиболее широко используемые светодиоды нынешнего поколения в основном представляют собой монохроматические излучатели высокой яркости, но для все большего числа применений (таких как микроскопия проходящего света) требуется широкий спектр или белый свет. Есть два основных подхода к получению белого света от устройств, которые в основном являются монохроматическими. Один метод основан на объединении трех разных цветов диодов в одной оболочке или различных полупроводниковых материалов в общем кристалле (в такой пропорции, что на выходе получается белый цвет).В другом методе используется фиолетовый или ультрафиолетовый светодиод для выработки энергии, возбуждающей вторичный люминофор, который затем излучает белый свет (см. Рисунок 7 (а)). Светодиоды белого света потенциально очень энергоэффективны по сравнению с лампами накаливания. Например, в то время как обычные источники света демонстрируют среднюю мощность от 15 до 100 люмен на ватт, эффективность белых светодиодов, по прогнозам, достигнет более 300 люмен на ватт в результате постоянного развития. Возможно, наиболее важным критерием выбора светодиода белого света является средняя цветовая температура профиля излучения, которая колеблется от примерно 4500 K до 8000 K, в зависимости от свойств устройства.Выбор наилучшего соответствия цветов для оптической микроскопии должен основываться на технических характеристиках детектора и возможностях программного обеспечения, но значения, близкие к 5500 K, должны быть оптимальными.

Комбинация красного, зеленого и синего диодов в одном корпусе или в ламповом узле, содержащем кластер диодов, позволяет генерировать белый свет или любой из 256 цветов за счет использования схемы, которая управляет тремя диодами независимо ( Рисунок 7 (б)). В приложениях, где требуется полный спектр цветов от единого точечного источника, этот тип формата диодов RGB является предпочтительным методом.Однако большинство диодов белого света производятся с использованием светодиода, излучающего на короткой длине волны (от 365 до 450 нанометров; от ультрафиолета до синего), и преобразователя длины волны , который поглощает свет от диода и подвергается вторичной эмиссии на более длинных волнах. Такие светодиоды излучают свет с двумя или более длинами волн, которые при объединении выглядят как белые. Качество и спектральные характеристики комбинированного излучения зависят от материалов, из которых изготовлено устройство. Наиболее распространенные материалы с преобразователями длины волны называются люминофорами, которые представляют собой материалы, которые проявляют люминесценцию, когда они поглощают энергию от другого источника излучения.Светодиодные Лампы

Одним из преимуществ использования светодиодов для освещения во флуоресцентной микроскопии является то, что каждая разновидность этих полупроводниковых устройств имеет аналогичную эффективность преобразования энергии с излучением, ограниченным узким диапазоном длин волн, а светодиоды работают при гораздо более низкой температуре, чем дуговые лампы или лампы накаливания. . В результате для достижения того же оптического выхода, что и у традиционного источника света, требуется гораздо меньше электроэнергии. Кроме того, светодиоды значительно компактнее, чем дуговые лампы, и их можно прикрепить непосредственно к радиатору, который легко охлаждается с помощью небольшого вентилятора с компьютерным управлением.Такая технология позволяет устанавливать светодиодные источники непосредственно внутри системы микроскопа, ближе к образцу, чтобы потенциально избежать значительной потери интенсивности света (часто превышающей 95 процентов), которая происходит со всеми источниками света, когда они проецируются через оптическую цепь. Несмотря на такой высокий уровень гибкости, следует отметить, что источники на основе светодиодов абсолютно нуждаются в эффективном теплоотводе, поскольку работа при температуре выше комнатной снижает их ожидаемый срок службы и приводит к потере эффективности оптического выхода.

Оптический выход типичного светодиода (измеряемый как полный поток излучения) приблизительно пропорционален уровню тока, подаваемого на устройство. При проектировании источников питания светодиодов необходимо учитывать время отклика (порядка микросекунд), нелинейность зависимости напряжения от излучения и максимальный рекомендуемый ток возбуждения. Еще одна первоочередная задача — это уровень собственного шума светодиодов, хотя эти устройства гораздо более стабильны (по крайней мере, на порядок), чем вольфрамовые галогенные или дуговые лампы.Дальнейшие соображения должны включать возможность быстрого переключения или модуляции светодиодов для приложений в микроскопии. Несмотря на то, что соотношение между входным током и светоотдачей может быть нелинейным, его можно точно измерить и соответствующим образом откалибровать источник питания. В качестве альтернативы линейное управление может быть достигнуто с помощью широтно-импульсной модуляции, которая управляет интенсивностью светодиода, изменяя количество времени, в течение которого диод находится во включенном состоянии относительно выключенного состояния. Такая конструкция позволяет относительно воспроизводимо изменять интенсивность света, изменяя ток возбуждения, тем самым устраняя необходимость в заслонках или фильтрах нейтральной плотности.

На рисунке 8 (а) представлена ​​типичная электронная схема, предназначенная для управления одним синим светодиодами с поверхностным излучением, который можно использовать для флуоресцентного освещения. Интенсивность выхода светодиода регулируется с помощью потенциометра, а излучение можно включать и выключать с помощью сигнала переключения, полученного от слаботочного 5-вольтового входа TTL (предпочтительно исходящего от главного компьютера). При настройке фонаря для работы с несколькими светодиодами необходимо учитывать безопасный максимальный ток возбуждения для каждого диода.Светодиоды из одной партии (и одного дистрибьютора) могут значительно различаться (до одного вольта) по прямому падению напряжения, а также по другим электрическим свойствам из-за внутренних производственных изменений, возникающих из-за различных источников, включая неоднородности в сырье. Таким образом, чтобы поддерживать постоянную производительность между диодными блоками, необходимо заранее определить соотношение между удерживающим напряжением и током для каждого светодиода, который будет использоваться в индивидуальной лампе. В качестве примера работы светодиода соотношение между временем отклика светодиода на входной сигнал прямоугольной формы показано на рисунке 8 (b).Обратите внимание на то, насколько интенсивность светодиода соответствует скачку напряжения.

В ситуациях, когда для широкополосного освещения требуются светодиоды белого света, можно использовать одноканальный источник тока, при этом интенсивность и переключение регулируются путем изменения тока, протекающего через один или несколько светодиодов, которые согласованы по рабочим характеристикам. В более сложных сценариях используются сложные конфигурации светодиодов (объединение нескольких матриц с разными профилями излучения) для получения либо узкополосного излучения для флуоресценции, либо белого света для освещения светлого поля.Этими более сложными конструкциями можно управлять с помощью многоканального источника тока, который способен изменять интенсивность или длину волны излучения в микросекундном (или даже наносекундном) масштабе времени. Этот тип источника питания, называемый импульсным режимом , переключение , полезен в технологиях, требующих чрезвычайно коротких световых импульсов, таких как получение изображений на протяжении всего срока службы. Схема импульсного режима полезна для преодоления сдвигов в пиковой длине волны излучения из-за неоднородности светодиодов путем предварительной настройки каждого диодного блока на пиковый ток, необходимый для получения желаемой выходной длины волны.Таким образом, средняя яркость источника может регулироваться путем изменения ширины импульса при фиксированном пиковом токе, что обеспечивает контролируемый спектральный выход. Как показано на Рисунке 8 (b), оптический выход следует за импульсом тока без значительной задержки, и возможны частоты импульсной модуляции в диапазоне мегагерц.

За последние несколько лет было введено несколько коммерческих светодиодных фонарей для флуоресцентной и широкопольной микроскопии в проходящем свете (белый свет), пример которой показан на рисунке 9.Лампа на Рисунке 9 предназначена для непосредственного соединения с входным портом осветителя микроскопа и вмещает до четырех независимо управляемых модульных светодиодов для последовательного или одновременного возбуждения нескольких флуорофоров. Отдельные светодиодные модули можно легко заменить, чтобы обеспечить возбуждение флуоресценции во всем видимом и ультрафиолетовом спектре. Модульная конструкция предназначена для обеспечения того, чтобы будущие светодиоды, независимо от их конфигурации, можно было сделать совместимыми для использования в фонарном домике.Многоцветные флуоресцентные изображения, полученные с помощью этого светильника (получившего название Colibri и производимого ZEISS), отличаются очень высокой контрастностью и большим динамическим диапазоном.

Среди преимуществ встроенного светодиодного фонаря — возможность настраивать интенсивность освещения для каждого диода в соответствии с требуемым временем интеграции камеры, а не использовать несколько настроек камеры. Кроме того, управление яркостью и переключение светодиодов является чисто электронным, что устраняет механические заслонки и колеса фильтров для большей скорости и устойчивости к колебаниям.Низкий напор светодиодов, которые с высокой эффективностью преобразуют электричество в свет, как обсуждалось выше, устраняет необходимость в вентиляторах или вспомогательных охлаждающих устройствах. Кроме того, поскольку светодиоды не находятся под высоким давлением, их режим отказа безвреден (без взрывов) по сравнению с дуговыми лампами.

Влияние зеленого светодиода во время инкубации и пищевых органических макро- и микроэлементов во время выращивания на характеристики большеберцовой кости цыплят-бройлеров в убойном возрасте инкубация и питание органических макро- и микроэлементов во время выращивания на большеберцовой кости морфологические, биофизические и механические характеристики цыплят-бройлеров в убойном возрасте.Эксперимент был организован как факторная схема 2 × 2 × 2 со следующими обработками: 1) свет во время инкубации (зеленый светодиодный индикатор или темнота), 2) источник макро-минералов во время выращивания (органические или неорганические Ca и P) и 3 ) микроэлементы во время выращивания (органические или неорганические Fe, Cu, Mn, Zn и Se). В общей сложности 2400 яиц (Ross 308) инкубировали либо под зеленым светодиодным светом (16L: 8D), либо в полной темноте. После вылупления в общей сложности 864 цыплята-бройлера-самца были выращены до убойного возраста (42-й день) и обеспечены 1 из 4 рационов, различающихся макро- и / или микроэлементами.Во время выращивания эксперимент проводился по полной рандомизированной блок-схеме с 9 повторными загонами на обработку и 12 цыплятами на загон. В убойном возрасте (42 день) случайным образом отбирали 2 цыплят на повторность и получали кости большеберцовой кости. Определяли вес большеберцовой кости, длину, толщину, костный объем, объем пор, общий объем, содержание минералов, минеральную плотность, предел прочности и жесткость. Зеленый светодиодный индикатор во время инкубации не влиял ни на одну из характеристик голени. Диетические органические макроэлементы положительно влияли на большинство морфологических, биофизических и механических характеристик большеберцовой кости по сравнению с неорганическими макро-минералами, тогда как микроэлементы не влияли на характеристики большеберцовой кости.Можно сделать вывод, что диетические органические макроэлементы Ca и P стимулировали характеристики большеберцовой кости, тогда как зеленый светодиодный свет во время инкубации и пищевые микроэлементы во время выращивания не влияли на характеристики большеберцовой кости, двигательную активность или заболевания ног.

Понимание температуры в градусах Кельвина и цветовой температуры светодиодов

Понимание температуры в градусах Кельвина и цветовой температуры светодиодов

Клиенты часто спрашивают о цветовой температуре, что это такое и что для них значит. Чтобы помочь объяснить, мы создали эту страницу как краткий справочник по всем вашим вопросам.

Какой светлый цвет? = «q»>

A: цвет света — это цвет самого света. Некоторые источники света кажутся белыми или холодными, а другие — теплыми или коричневатыми. Другие специальные огни могут быть синими], красными или зелеными. Огни могут быть сконструированы так, чтобы имитировать любой цвет. Выбор правильного, который вы предпочитаете, важен для того, чтобы пространство выглядело правильным.

Как рассчитывается Кельвин? = «q»>

A: Кельвин (K) — это единица измерения температуры, а точнее термодинамическая температура, названная в честь физика Уильяма Томпсона, 1-го барона Кельвина.0 Кельвин также известен как абсолютный ноль и фактически самая низкая возможная температура. Величина градуса в Кельвинах такая же, как градус в градусах Цельсия, где 0 Кельвина равен -273,15 по Цельсию. Чтобы преобразовать Кельвин в Цельсий, просто возьмите температуру Кельвина и вычтите 273,15 для соответствующей температуры Цельсия, то есть 300 Кельвинов равны 26,85 Цельсия. Температура Кельвина, когда речь идет о свете, основана на цвете, излучаемом черным телом радиатора, на основе характеристики его температуры.Важно помнить, что более высокая цветовая температура направляется в синий конец цветового спектра и ниже — в красный конец спектра. См. Диаграмму ниже для визуального представления

Что такое цвет 3000K? = «q»>

A: 3000K — теплый белый свет. По шкале Кельвина он имеет отчетливый коричневатый оттенок, который часто называют теплым белым.

Что такое цвет 4000K? = «q»>

A: 4000K — это свет естественного белого цвета.По шкале Кельвина он имеет легкий оттенок желтого цвета. Это делает его популярным нейтральным цветом, особенно в офисных и домашних помещениях, которые часто используются.

Что такое цвет 5000K? = «q»>

A: 5000K — это свет чисто белого цвета. По шкале Кельвина в нем нет других цветов, только белый.

Что такое CCT или цветовая коррелированная температура = «q»>

A: Это обратный путь к Кельвину. Они должны построить светодиоды на основе CCT (цветовая коррелированная температура), чтобы достичь Кельвина.Заказывая светодиодные диоды, вы делаете это от CCT, при покупке светильников — от Kelvin.

Что такое теплый свет и холодный свет? = «q»>

A: Теплые огни — это цвета, которые направлены к красному концу спектра, обычно относятся к источникам света ниже 4000K и имеют оттенок от желтого до красного. Холодные цвета обычно имеют свет выше 4000K и имеют голубоватый оттенок. 4000K часто называют натуральным белым, поскольку он находится прямо посередине.

R9 против R15 против CRI и что все это значит

В чем разница между градусами Кельвина и CRI? = «Q»>

A: CRI или R9 сильно отличается от Кельвина.Кельвин — это температура или цвет самого света, но CRI или R9 скажут нам, насколько хорошо этот свет будет воспроизводить цвета при его использовании. Это независимые метрики и никак не коррелируют.

Таким образом, у вас может быть свет 2700K, который очень хорошо воспроизводит синие цвета, даже если это свет теплого цвета, или светильник 4000K, который хорошо передает красный цвет. Они движутся независимо друг от друга и основаны только на самом источнике света. Есть несколько способов обмануть цвета с любым светом, но особенно светодиодный, и поэтому только потому, что свет 5000K или чисто белый, не говорит нам, будет ли он хорошо воспроизводить цвета или нет.Приходится смотреть на каждую отдельно.

Что означают CRI и R9? = «q»>

A: CRI (индекс цветопередачи) и R9 (среднее от R1-R9) отражают, насколько хорошо свет будет воспроизводить цвета. То, что свет белый, не означает, что под ним будут отображаться истинные цвета. Лампы накаливания и галогены хорошо справляются с цветопередачей (CRI 95+), тогда как источники HID обычно имеют низкую цветопередачу (менее 50 CRI)

CRI основан только на цветах от R1 до R8, также известных как пастельные цвета.Чем выше индекс цветопередачи, тем лучше отображаются эти цвета. CRI — это стандарт 1960 года, но на самом деле существует 15 цветных полос, они обозначаются как R15. Поскольку R10-R15 обычно не улучшает цветопередачу, они пропускаются. (Для справки; сплошные насыщенные цвета — это R9-R12, а твердые тела — от R13 до R14). Однако самый большой — это R9, потому что он красный! R9 на один лучше, чем CRI, потому что он добавляет весь важный красный спектр. Таким образом, цвета с красным в них будут отображаться намного лучше с высоким баллом R9.

Вот как рассчитываются CRI, R9 и R15. Вы можете видеть, что CRI использует ограниченную, хотя и критическую часть шкалы. Однако R9 добавляет этот важный красный цвет, поэтому он становится более предпочтительным показателем в освещении. В любом случае для дизайнеров и пользователей, в меньшей степени для производителей, о чем мы поговорим ниже.

Что означает R в R9? Он основан на R ₀ (CRI или R1-R8 — R _a ), который является математическим представлением цветов ниже. TCS означает образцы тестовых цветов на основе стандарта 1995 г.

TCS01 7,5 R 6/4 Светло-серовато-красный

TCS02 5 Y 6/4 Темно-серовато-желтый

TCS03 5 GY 6/8 Ярко-желто-зеленый

TCS04 2, 5 G 6/6 Умеренный желтовато-зеленый

TCS05 10 BG 6/4 Голубовато-зеленый

TCS06 5 PB 6/8 Голубой

TCS07 2,5 P 6/8 Светло-фиолетовый

TCS08 10 P 6/8 Светлый красновато-фиолетовый

TCS09 4,5 R 4/13 Ярко-красный

TCS10 5 Y 8/10 Ярко-желтый

TCS11 4,5 G 5/8 Ярко-зеленый

TCS12 3 PB 3/11 Ярко-синий

TCS13 5 YR 8/4 Светло-желтовато-розовый

TCS14 5 GY 4/4 Умеренный оливково-зеленый (лист)

TSC15 Оливковый оттенок

Как рассчитывается индекс цветопередачи? = «Q»>

A: CRI (индекс цветопередачи) рассчитывается как среднее значение R1-R8, известное как группа пастельных цветов.

Как рассчитывается R9? = «Q»>

A: R9 рассчитывается как среднее от R1-R9, то есть группы пастельных цветов вплоть до красного.

Независимо от того, является ли его CRI., R9 или R15, цифры являются средними. Так что вы должны делать все хорошо, чтобы набрать очень много очков. Обычно лампа накаливания является эталоном или эталонным светом (радиатор с черным корпусом в лаборатории, но это гораздо более длинная статья), но на самом деле оценка 100 при измерении R15 была бы идеальной. Совершенство также известно как солнечный свет.

Вот пример, когда CRI был бы высоким, но низкий R9 не раскрывает всей картины.

Теперь большинство диаграмм спектра освещения будут генерировать все данные. На этой диаграмме мы видим, что свет имеет около 4100 кельвинов и 93 CRI, R9 падает до 75, что на самом деле отлично, потому что это лампа для выращивания растений. Для достижения наилучших результатов свету для выращивания требуется полный спектр, известный как PAR. У большинства R9 вообще LED ближе к 40-50. Чтобы дать некоторую перспективу, такие стандарты, как Title 24 в Калифорнии, стандарты строительства скважин и GSA (агентство государственных услуг) требуют только CRI 80+ и R9 50+.Показывает, что светодиоды в целом должны поработать, чтобы достичь стандартов R9 выше 70+, а также почему метрика R9 еще не указана для многих источников света.

Выбор правильного цвета по Кельвину

Какой цвет Кельвина мне выбрать? = «q»>

A: Цветовая температура — это в основном вопрос предпочтений. В целом, большинство складских и наружных осветительных приборов имеют температуру 5000K, которую часто называют ярко-белым, поскольку это близкое представление солнечного света. Освещение, которое мы часто видим в жилых помещениях, более расслабленное, обычно 3000–4000 К.Освещение бизнес-офиса обычно составляет около 4000 К. Освещение в розничной торговле обычно составляет 4000-5700K, и чаще всего это более холодная сторона, поскольку более холодные цветовые температуры обычно имеют небольшое преимущество в светоотдаче по сравнению с более теплым цветом при той же мощности. Для розничных продаж яркость — это хорошо для демонстрации продаваемой продукции. Опять же, это просто обычное использование, некоторые люди предпочитают иметь 5700K в своем доме, а другие могут предпочесть 3000K для светодиодных настенных блоков на стороне своего здания. Одна вещь, которую мы упомянем, заключается в том, что Американская медицинская ассоциация рекомендует держаться подальше от света выше 5700K, поскольку он может пагубно сказаться на циркадном ритме человека и повлиять на режим сна.Исследования в этой области все еще продолжаются, и существует много противоречивой информации. Некоторые люди утверждают, что головные боли вызывают более низкие цветовые температуры, другие — более теплые. Все разные, так что все сводится к личным предпочтениям.

Некоторые муниципалитеты предъявляют строгие требования к тому, какие цветовые температуры могут использоваться для определенных приложений. Если вы делаете освещение там, где есть требования к определенной цветовой температуре, тогда вы будете знать доступные вам варианты.В противном случае выберите то, что вам удобно, или попросите совета у экспертов.

Я все еще не уверен, какой цвет выбрать, что мне делать? = «q»>

A: Возьмите образец. Купите 1 фонарь, чтобы подключить его к источнику питания и увидеть в действии. Если вы решите изменить цвет, вам нужно будет вернуть только 1 лампу вместо 20. Как только вы выясните, чем вы довольны, вы можете купить все количество.

Мне нужно много света, но я до сих пор не знаю, какой цвет хочу использовать.

Взять образец. Купите 1 фонарь, чтобы подключить его к источнику питания и увидеть в действии. Если вы решите изменить цвет, вам нужно будет вернуть только 1 лампу вместо 20. Как только вы выясните, чем вы довольны, вы можете купить все количество.

Просто не понимаю, какой цвет выбрать?

Позвоните нам и поговорите с одним из наших экспертов по освещению, чтобы он помог разобрать ваше приложение, и мы поможем вам выбрать лучший вариант.

Пример теплого света.Обратите внимание на желтый или коричневатый оттенок цвета.

Вот белый свет 5000К. Обратите внимание, что 5000K выглядит чисто белым.

Вот тестер 5000K против 4000K. Хотя некоторые считают, что 4000K «грязнее», он менее приятен для глаз, особенно если вы работаете с ним в течение длительного времени.

Волнообразные характеристики температурной зависимости энергии пика электролюминесценции зеленого светодиода на основе InGaN, выращенного на кремниевой подложке

На рисунке 1 показаны температурно-зависимые спектры электролюминесценции зеленого светодиода на основе МКЯ на основе InGaN / GaN, измеренные от 6 до 350 K на фиксированных микросхемах 0.001, 0,5, 2 и 350 мА. Анализ данных показывает, что в каждом спектре преобладает один асимметричный основной пик электролюминесценции с низкоэнергетическим хвостом, происходящий от МКЯ зеленого светодиода. Слабые пики на низкоэнергетической стороне основного пика ЭЛ являются фононными копиями основного пика. Типичные температурные зависимости энергии основного пика электролюминесценции и ширины линии излучения при фиксированных токах 0,001, 0,2, 0,5, 2, 5 и 350 мА показаны на рис. 2. Из рис. 2 видно, что пик электролюминесценции энергия показывает аномальное поведение в зависимости от температуры.

Рисунок 1

Температурно-зависимые спектры электролюминесценции зеленого светодиода на основе МКЯ InGaN / GaN, измеренные при 0,001 ( a ), 0,5 ( b ), 2 ( c ) и 350 мА. ( d ) Слабые пики на низкоэнергетической стороне основного пика электролюминесценции являются фононными копиями основного пика.

Рисунок 2

Температурные зависимости энергии пика электролюминесценции и полной ширины на полувысоте (FWHM) для зеленого светодиода, измеренные при 0,001 ( a ), 0,2 ( b ), 0.5 ( c ), 2 ( d ), 5 ( e ) и 350 мА ( f ).

Для объяснения аномального температурного поведения энергии пика электролюминесценции в различных ИС на рис. 2, рис. 3 демонстрирует лежащий в основе механизм переноса и распределения носителей в структуре МКЯ. Из рис.3 видно, что есть три зоны с разными средними значениями содержания In в структуре зеленых МКЯ: зона бедных (обозначена как зона-I) с очень незначительными колебаниями состава и меньшей энергией локализации, Промежуточная зона (зона-II) с умеренными колебаниями состава и умеренной энергией локализации и зона, богатая In (зона-III) со значительными колебаниями состава и большей энергией локализации.Выбросы, относящиеся к зонам-II и -III, должны быть на стороне с более низкой энергией (низкоэнергетический хвост) асимметричных основных пиков электролюминесценции, как показано на рисунке 1.

Рисунок 3

Схема-схема переноса и распределения носителей в МКЯ, содержащих три зоны с разным содержанием In.

Из рис. и . внутри этих трех зон) ^15,16 . Однако, когда температура увеличивается до 350 K с 6 при 0,001 мА, рис. 2 (a) показывает, что температурное поведение пиковой энергии имеет приблизительно V-образную форму: пиковая энергия немного уменьшается при изменении температуры от 6 до 60 K, заметно уменьшается с 60 до 70 K, уменьшается с 70 до 140 K и значительно увеличивается от 140 до 350 K. В то же время ширина линии уменьшается ниже критической температуры около 80 K, значительно увеличивается с 80 до 220 K, остается почти постоянным от 220 до 300 K и немного увеличивается от 300 до 350 K с повышением температуры.Эти данные дают следующие подсказки: при повышении температуры от 6 до 350 К, во-первых, локализованные носители релаксируют от более мелких до более глубоких состояний локализации внутри своих соответствующих зон и из более мелкой локализованной зоны-I вниз в более глубокую локализованную зону-II. за ней следует зона III ниже примерно 140 К; затем эффект теплового уширения локализованных носителей в МКЯ, включающих эти три зоны, начинает доминировать в процессе эмиссии с дальнейшим повышением температуры выше 140 К ^{13,17,18,19,20,21} .

При увеличении фиксированного тока до 0,5 мА от 0,001, из рис. 2 (a – c) видно, что, в отличие от случая при 0,001 мА, при 0,2 мА пиковая энергия немного увеличивается с увеличением температуры от 6 до 60 К; кроме того, в отличие от случая при 0,2 мА, при 0,5 мА пиковая энергия сначала увеличивается, а затем уменьшается ( i . e . имеет место пик энергии) с увеличением температуры от 80 до 220 К. То есть при 0,5 мА, пиковая энергия демонстрирует волнообразное поведение температуры (трехступенчатое синее смещение): пиковая энергия увеличивается при изменении температуры от 6 до 60 К, а затем немного уменьшается от 60 до 80 К.За этим следует небольшое увеличение с 80 до 120 K, снижение со 120 до 220 K, а затем значительное увеличение с 220 до 350 K. В то же время ширина линии также показывает V-образное поведение температуры при 0,5 мА, аналогично по сравнению с тем, что наблюдается в случае 0,001 мА на рис. 2 (а), однако первый показывает более низкую критическую температуру (60 К), чем второй (80 К). Такое поведение можно объяснить тем фактом, что процесс релаксации локализованных носителей, связанный с температурой внутри соответствующих зон, постепенно подавляется с увеличением фиксированного тока от 0.001 до 0,5 мА. Это может быть связано с постепенным снижением эффекта локализации носителей внутри их соответствующих зон ^14,15 . Напротив, процесс релаксации локализованных носителей заряда в зависимости от температуры от более мелкой вниз к более глубокой локализованной зонной структуре все еще продолжается из-за большей разницы в минимумах потенциала между этими тремя зонами, происходящей из-за их большей разницы в среднем In содержание. Следовательно, при повышении температуры до 350 К с 6 при 0.5 мА, преобладающим температурным поведением пиковой энергии является термализация носителей, которые подвергаются локализации внутри зоны-I от 6 до 60 К, с последующей релаксацией локализованных носителей из зоны-I вниз в зону-II. или за счет относительного увеличения выбросов из зоны-II с 60 до 80 К из-за ее более сильного эффекта локализации, чем из зоны-I. За этим следует термализация локализованных носителей внутри зоны-II от 80 до 120 К, а затем релаксация локализованных носителей из зоны-II вниз в зону-III или относительное усиление эмиссии из зоны-III от От 120 до 220 К из-за более сильного эффекта локализации, чем зона-II.Наконец, происходит термализация локализованных носителей в МКЯ (, , и . Внутри этих трех зон) от 220 до 350 К, происходит ^{13,17,18,22,23} .

Здесь стоит отметить, что вышеупомянутое волнообразное (трехступенчатое синее смещение) температурное поведение пиковой энергии при 0,5 мА (рис. 2 (c)) не может быть объяснено зависимыми от температуры механизмами рекомбинации локализованные носители либо в голубых МКЯ InGaN / GaN, включающих только одну зону с небольшой флуктуацией состава, либо в зеленой тонкой пленке InAlGaN, включающей две зоны с меньшими флуктуациями состава и относительно большими флуктуациями состава.Это связано с тем, что первый демонстрирует только одну S-образную (красное смещение-синее смещение-красное смещение) температурную зависимость пиковой энергии (то есть одноступенчатое синее смещение), а одноступенчатое синее смещение объясняется эффектом теплового уширения локализованных носителей. в МКВ, включающих только одну зону ^10,14,15 ; последний демонстрирует только двойную S-образную (красное смещение-синее смещение-красное смещение-синее смещение-красное смещение) температурную зависимость пиковой энергии (то есть двухступенчатое синее смещение), а двухступенчатое синее смещение объясняется эффектом теплового уширения локализованного носители в двух зонах с разными потенциальными барьерами ²⁴ .

Когда фиксированный ток увеличивается с 0,5 до 350 мА (как видно из рис. 2 (c – f)), температурно-изменяющаяся характеристика пиковой энергии электролюминесценции постепенно превращается из волнообразной температурной зависимости в приблизительно инвертированный V-образный температурный режим: пиковая энергия при 350 мА увеличивается с большей скоростью в диапазоне 6–70 К, затем растет с меньшей скоростью в диапазоне 70–220 К, наконец, уменьшается, точно следуя закону Варшни, с увеличением температура в диапазоне 220–350 К.В то же время ширина линии имеет монотонно увеличивающийся температурный режим при токе 350 мА. Такое поведение связано с тем, что при увеличении фиксированного тока до 350 мА с 0,5 процесс зависимой от температуры релаксации локализованных носителей между этими тремя зонами также постепенно подавляется из-за дальнейшего снижения эффекта локализации носителей в МКЯ ( i . e . Внутри этих трех зон) при максимальном токе 350 мА. Следовательно, при 350 мА в температурном поведении пиковой энергии преобладает сначала термализация локализованных носителей внутри этих трех зон от 6 до 220 К.Затем доминирующее температурное поведение проявляется как регулярная термализация свободных носителей в МКЯ для самого высокого диапазона температур полной делокализации 220–350 К ^14,15,25 .

Кроме того, следует отметить, что в качестве сестринского образца зеленого светодиода, использованного в этом исследовании, используется еще один зеленый светодиод (обозначенный как субзеленый светодиод) с более короткой длиной волны излучения из-за более высокой температуры роста по сравнению с зеленый светодиод ¹³ показывает поведение температуры, отличное от наблюдаемого на рис.2 для зеленого светодиода: когда IC увеличивается до 350 мА (от 0,001 мА или менее), зависимость пиковой энергии электролюминесценции от температуры в диапазоне 6–350 К показывает постепенное изменение от «заметного уменьшения — остаточного почти постоянная — значительное увеличение »до V-образной (немного уменьшается — медленно увеличивается) зависимости, за которой следует« слегка уменьшается — слегка увеличивается — остается почти постоянной »и« остается почти постоянной — увеличивается-уменьшается »до тех пор, пока зависимость показывает перевернутую «V-образную форму» (медленно увеличивается-заметно уменьшается) (рис.4). То есть волнообразная (трехступенчатое синее смещение) температурная зависимость пиковой энергии электролюминесценции для зеленого светодиода, как показано на рис. 2, не наблюдалась во всем измеренном диапазоне на рис. 4 для субзеленого светодиода. . Это явление, по-видимому, указывает на то, что могут быть две или три зоны с меньшей разницей в средних значениях содержания In в слоях лунок InGaN для субзеленого светодиода по сравнению с зеленым светодиодом. Кроме того, в предыдущих отчетах ^14,15 мы использовали синий светодиод с тем же размером кристалла и собрали структуру InGaN / GaN MQW, но на разных подложках (сапфировых) по сравнению с тем, когда используется зеленый светодиод.Ранее описанное температурное поведение пиковой энергии электролюминесценции для зеленого светодиода, показанного на рис. 2, также не наблюдается во всем диапазоне измерений для синего светодиода. Когда IC (мощность возбуждения) увеличивается до 200 мА (50 мВт) от 1 мкА или менее (0,5 мкВт или менее), зависимость энергии пика EL (фотолюминесценции, PL) от температуры в диапазоне 6–300 K для синий светодиод показывает постепенный переход от S-образной формы (уменьшение-увеличение-уменьшение) к перевернутой «V-образной форме». Это указывает на то, что синий аналог имеет более слабый эффект локализации из-за небольшого колебания компонентов в слое ямы InGaN по сравнению с зелеными светодиодами.

Рисунок 4

Температурные зависимости пиковой энергии электролюминесценции для субзеленого светодиода, измеренные при 0,001, 0,01, 0,2, 0,5, 2, 5, 20 и 350 мА.

Для дальнейшего исследования механизмов переноса и рекомбинации носителей в структуре зеленого светодиода мы построили график на рис. 5 (a), на котором интегральная интенсивность электролюминесценции, подвергнутая делению на ток (то есть относительный эквалайзер), показана как функция температуры при типичных фиксированных токах 0,001, 0,05, 20 и 350 мА. На рис.5 (а) видно, что при снижении температуры с 350 до 6 К при более низких фиксированных токах ниже 5 мА значение EQE демонстрирует монотонное увеличение, в отличие от них, при более высоких фиксированных токах выше 5 мА значение EQE показывает увеличение, а затем уменьшение. Последний аналогичен синему светодиоду вышеупомянутого синего светодиода, наблюдаемому во всем диапазоне измерений в наших предыдущих работах ^14,26 , и может быть объяснен тем, что при понижении температуры с 350 до 6 К безызлучательная центры рекомбинации сначала постепенно дезактивируются, а затем утечка электронов постепенно возрастает с дальнейшим понижением температуры из-за увеличения прямого смещения; однако первое показывает, что процесс дезактивации неизлучающих центров происходит не только в области более высоких температур, но также и в области более низких температур.Такое поведение может быть связано с тем фактом, что зеленый светодиод имеет больше нерадиационных центров, связанных с дефектами, чем синий аналог из-за высокого содержания In, поскольку результаты измерения зависимости интегральной интенсивности ЭЛ от IC в нижнем IC диапазон и 300 K для зеленых и синих светодиодов показали, что первый имеет большее значение F (2,531), чем второй (1,749) (не показано) ²⁶ . Здесь следует отметить, что помимо связанных с дефектами неизлучающих центров флуктуация состава приводит к генерации богатых In областей, которые действуют как центры локализации носителей для повышения квантовой эффективности.Следовательно, более высокий EQE при более низких температурах и более низких фиксированных токах (рис. 5 (a)) также связан с более сильным эффектом локализации носителей заряда в дополнение к меньшей утечке электронов в этих условиях. Зависящее от тока инжекции уменьшение эффекта локализации носителей, вызванное флуктуацией состава, можно объяснить тем фактом, что, когда IC постепенно увеличивается, что соответствует постепенному увеличению внешнего электрического поля, помимо того, что центры локализации постепенно заполняются с увеличением инжектируемого носителя профиль КЯ постепенно наклоняется, в результате чего носитель легко выходит из центров локализации ^14,26,27 .

Рисунок 5

Зависимости относительного EQE для зеленого светодиода от температуры при фиксированных токах 0,001, 0,05, 20 и 350 мА ( a ) и от тока при фиксированных температурах 6, 160 и 350 мА.

Светодиод зеленый характеристики: АЛ307ГМ, Светодиод зеленый 50° d=5мм 1.5мКд 567нМ, Планета