Расчёт и проетирование светодиода

     Следует отметить, что из структур с прозрачной подложкой (например, из GaP структур) могут  быть изготовлены также кристаллы полусферической конфигурации. Б этом случае внешний квантовый выход излучения увеличивается за счет уменьшения потерь на полное внутреннее отражение света. В одной из работ получены диоды с зеленым свечением с h_вн=0,41 % (на сравнительных диодах с плоским кристаллом h_вн=0,17 %). Спектр излучения полусферических диодов более зеленый. Это объясняется тем, что в полусфер ических кристаллах большая часть света выводится после первого падения излучения на поверхность, благодаря чему уменьшается поглощение света в кристалле, особенно в коротковолновой части спектра. Однако полусферические кристаллы из GaP не нашли практического применения в связи с увеличением стоимости прибора.

     1.1.3 Устройство светоизлучающих диодов

     Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены на следующие группы:

     1) в металло-стеклянном корпусе; 

     2) в конструкции с полимерной  герметизацией на основе металло-стеклянной  ножки или рамочного держателя 

     3) бескорпусные диоды. 

      а) 

     б)

     

     в)

     а – плоская; б – плоскопланарная; в – волусферическая;

     1 – выводы; 2 – кристалл; 3 – полимерная  линза.

     Рисунок 1.2 Конструкция светодиодов. 

     Диоды в металло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностью  параметров, механической и климатической  устойчивостью.

     Диоды с полимерной герметизацией по некоторым  характеристикам имеют преимущества перед диодами в металло-стеклянной конструкции 

     а) полимерная герметизация в большей  степени позволяет осуществить  перераспределение света в пространстве как в направлении сужения диаграммы направленности излучения (с увеличением силы света), так и в направлении ее расширения;

     б) полимерная герметизация увеличивает  внешний квантовый выход излучения  за счет увеличения угла полного внутреннего  отражения на границе кристалл –полимер,

     в) герметизированные полимерами приборы  обладают большей стойкостью к ударным  и вибрационным нагрузкам, чем приборы  в металло-стеклянных корпусах

     г) полимерная герметизация позволяет  получить при необходимости малое  отношение объема (габарита) прибора к объему (габариту) кристалла;

     д) полимерная герметизация благодаря  своей технологичности позволяет  существенно снизить трудоемкость изготовления приборов и их стоимость. Однако диоды с полимерной герметизацией  в настоящее время уступают диодам в металло-стеклянном корпусе в отношении устойчивости к длительному воздействию влажности и резкой смене температур.

     Бескорпусные  диоды - самые миниатюрные светоизлучающие  диоды, используемые в герметизируемой  аппаратуре. Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило, посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками. Отражающие стенки охватывают боковое излучение в угле примерно 45-50°. Они в значительной степени сужают диаграмму направленности излучения и увеличивают силу света в осевом направлении. Помещение в посадочное место кристалла с непрозрачной подложкой (например, из Ga_0,7Al_0,3As) приводит к несколько меньшему эффекту: сужению диаграммы направленности с 120 до 75 ° и увеличению осевой силы света примерно в 1,5 раза.

     Одновременно с увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излучения применение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводит к улучшению восприятия излучения за счет увеличения светящейся площади и повышения контрастности. Кристалл и светящееся кольцо отражателя разделены более темным кольцом. Наличие на светящейся поверхности ярких и темных участков увеличивает ее контрастность и способствует лучшему визуальному восприятию.

     Значительное  перераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, которая формирует необходимую диаграмму направленности излучения. Форму полимерной линзы выбирают, как правило, такой, что излучающий кристалл располагается между фокусом преломляющей поверхности, образованиой полусферической линзой, и центром этой линзы. Фокусное расстояние определяется по формуле: 

     f =Rnl(n-1)     (1.1) 

     где R - радиус полусферической полимерной линзы;

     n –показатель преломления компаунда.

     Расстояние  от центра кристалла до центра сферической  поверхности определяется в зависимости от заданной диаграммы направленности излучения.

     Рассмотрим, каким образом осуществить оптимизацию  размеров полимерной линзы для светоизлучающих  диодов различного назначения. Угол вывода излучения по отношению к оси  прибора равен: 

     Q=Q-r+I     (1.2) 

     С учетом закона Снелла: 

     sinr=nsint     (1.3) 

     Получаем  выражение для зависимости угла Q от Q отношения S/R: 

     Q=Q-arcsin[n(S/R-1)sinQ]+arcsin[S/R-1)sinQ] (1.4) 

     Для диодов с узконаправленным излучением (с углом излучения 5-15°) наиболее целесообразно использовать величину S/R =1,9–2,0. Конкретные значения S/R обычно подбирают с учетом действия отражателя света и рассеивающего эффекта, возникающего при в компаунд диспергирующего наполнителя.

     В качестве материала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинстве случаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной диановой смолы. Компаунд отличается весьма высоким светопропусканием. Хранение образцов компаунда при температуре +70-80°C практически не приводит к ухудшению светопропускания. Снижение светопропускания начинает наблюдаться при длительном хранении при температуре +100°C и выше, причем наибольшее поглощение света наблюдается в коротковолновой части видимого спектра. Введение красителя (например, красного) вызывает резкое увеличение поглощения коротковолнового света, но практически не влияет на поглощение света длинноволновой части видимого диапазона. Введение красителей способствует повышению контрастности свечения за счет поглощения рассеянного света окружающего пространства. Физико-механические характеристики компаунда позволяют получать диоды в полимерной герметизации, устойчивые к жестким климатическим и механическим воздействиям.

     Для изготовления сигнальных светоизлучающих  дидов, как правило, применяется компаунд, диспергированный светорассеивающим наполнителем. Наполнитель позволяет увеличить размер светящегося пятна и расширить диаграмму направленности излучения (увеличить угол излучения). Одновременно он резко понижает интенсивность отраженного диодом внешнего света и, тем самым, снижает эффект отсвечивания для невключенных диодов.

     Основное  требование, которому должен отвечать светорассеивающий компаунд, максимальное рассеяние света при минимальном  поглощении. В основе явления рассеяния  света лежит нарушение оптической однородности среды, которое обуславливает различие в скорости распространения света в ее разных частях. Нарушение оптической однородности среды может быть вызвано какими-либо включениями, показатель преломления которых отличается от показателя преломления среды, в результате чего возникают эффекты преломления и рассеяния света. За счет этих эффектов свет отклоняется от своего первоначального направления. Оптимальным светорассеивающим наполнителем следует считать оптически прозрачный аморфный материал с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления основного вещества. Этому условиюхорошо отвечает, например, стекло кварцевое, оптическое, с показателем преломления n»1,46, измельченное до частиц размером не более 15 мкм.

     Диоды с полимерной герметизацией, в основном, изготавливают на многокадровых рамочных держателях. В некоторых случаях для получения высокоэффективных приборов используются рамочные держатели с встроенным отражателем света. Преимущества диодов, изготавливаемых на основе многокадровых держателей, заключаются в следующем:

     1) технологичность производств а,  Основанная на изготовлении держателя  методом штамповки, использовании  типовых высокопроизводительных  установок для разводки вывода, применении групповой технологии полимерной герметизации (например, свободная заливка в многоместной форме), а также автоматизированном измерении фотометрических и электрических параметров приборов;

     2) более высокая устойчивость к  механическим и климатическим  воздействиям по сравнению с конструкцией в полимерной герметизаций на основе металлостеклянной ножки; повышенная устойчивость обусловлена разветвленным профилем поверхности сцепления эпоксидного компаунда с держателем.

     1.1.4  Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения

     Светоизлучающие диоды - одни из немногих источников света, которые позволяют реализовать  управляемое изменение цвета  свечения. В настоящее время рассмотрено  несколько путей создания светоизлучающих  диодов с управляемым цветом свечения: двухпереходный однокристальный GaP диод; однопереходный двухполосный однокристальный GaP диод; двухкристальный биполярный диод с параллельным соединением кристаллов; двухкристальный диод с независимым включением кристаллов; двухпереходный однокристальный диод. один из р-n-переходов которого излучает красный свет, а другой - инфракрасное излучение, преобразуемое с помощью антистоксового люминофора в зеленое свечение.  

     

     Рисунок 1.3 – Структура светодиода с управляемым цветом свечения (а); его принципиальная схема (б). 

     Анализ оптических и электрических характеристик, технологичности и применения вышеуказанных видов светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший интерес в настоящее время представляет двухпереходный однокристальный GaP диод. Основные преимущества этого вида светоизлучающих диодов следующие:

     1) позволяет получить более широкий,  чем у однопереходного двухполосного  GaP диода, диапазон изменения цвета  свечения;

     2) рабочий ток во всем спектральном  диапазоне не более 20 мА в  отличие от однопереходного GaP диода, у которого диапазон изменения тока существенно шире;

     3) сила света примерно одинакова  во всем спектральном диапазоне  в отличие от однопереходного  GaP диода, у которого сила света  существенно различна для разных  цветов свечения;

     4) обеспечивает эффективное смешивание  излучений двух полос, благодаря  чему желтый и оранжевый цвета  свечения имеют значительно лучшее  качество, чем у двухкристальных  диодов (последние фактически являются  только двухцветными диодами);

     5) позволяет отображать до пяти состояний объекта с помощью цветов: красный-оранжевый-желтый-зеленый-выключено (число отображаемых состояний может быть по крайней мере удвоено за счет использования мигающего свечения);

     6) позволяет осуществить аналоговое  отображение информации путем непрерывного изменения цвета свечения от красного до зеленого (через все оттенки);

     7) имеет симметричную диаграмму  направленности излучения в отличие  от двухкристального диода, у  которого кристаллы смещены относительно  центра прибора, благодаря чему оси диаграмм направленности излучения расположены под углом к оптической оси прибора;

     8) двухпереходный диод значительно  эффективнее светоизлучающего диода,  использующего преобразование инфракрасного  излучения в видимое, так как  Эффективность процесса антистоксового преобразования весьма низка.

     Однако  двухпереходный однокристальный GaP диод имеет и недостатки, а именно - более сложную технологию эпитаксиального  выращивания структуры и изготовления кристаллов с тремя контактными  областями.