скачать рефераты

скачать рефераты
Рус Укр Eng
 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Расчет и проектирование светодиода скачать рефераты

Расчет и проектирование светодиода

19

Содержание

  • ВВЕДЕНИЕ
  • 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
  • 1.1 Светоизлучающиие диоды
    • 1.1.1 Области применения и требования к приборам
    • 1.1.2 Светоизлучающий кристалл
    • 1.1.3 Устройство светоизлучающих диодов
    • 1.1.4 Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения
    • 1.1.5 Индикаторы состояния
    • 1.1.6 Индикаторы на светодиодах
  • 1.2 Полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов
    • 1.2.1 Арсенид галлия
    • 1.2.2 Фосфид галлия
  • 2 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕТОДИОДА
  • 2.1 Основные параметры светодиода
  • 2.2 Расчет светодиода
  • 2.2.1 Расчет эффективности светодиода
  • 2.2.2 Расчет телесного угла
  • 2.2.3 Примерный расчет эффективности
  • 2.2.4 Уточненный расчет эффективности
  • 2.2.5 Расчет составляющих эффективности
    • 2.2.6 Расчет инжекции не основных носителей тока
  • 2.2.7 Расчёт светодиодного резистора
  • ВЫВОДЫ
  • СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) или светодиоды - это класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе их действия лежит инжекционная электролюминесценция, эффективная в соединениях типа АIIIВV. Так же светодиоды решают задачу преобразования электрических сигналов в оптические, служат эффективными по КПД источниками света.

На сегодняшний день СИД активно применяются в различных областях: оптоэлектроника, системы отображения информации (как табло «бегущих» строк текста, так и достаточно качественных панелей вывода статичного и динамического изображений). Круг задач, при решении которых используются светодиоды, обусловлен высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую (15-20 лм/Вт, лампы накаливания - 10-15 лм/Вт), высокой яркостью и квантовым выходом (при небольшой площади СИД сила света по оси - 30-50 кд), высоким быстродействием (малая инерционность - порядка единиц наносекунд), характерным спектральным составом, возможностью модуляции излучения питанием, малым потреблением энергии (доли или единицы ватт), электробезопасностью (единицы вольт), надежностью, большим сроком службы (десятки тысяч часов), высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

Первые явления, связанные с появлением светодиодов, были обнаружены Лосевым О.В. в 1923 г. Активное развитие технологии изготовления СИД с различными параметрами продолжается и сегодня.

Кроме вышеперечисленных сфер СИД задействованы в освещении. Применение СИД для освещения обусловлено, как указывалось выше, высоким КПД преобразования энергии, надёжностью конструкции, хорошо развитой на сегодняшней день технологией изготовления СИД с различными параметрами свечения.

Как и практически любой источник излучения, СИД функционирует совместно с оптической системой, формирующей требуемую кривую силы света (КСС).

Огромный интерес, проявляемый к светоизлучающим диодам специалистами в области радиоэлектроники, отображения информации, оптоэлектроники, обусловлен их замечательными характеристиками: высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую, высоким быстродействием, малым потреблением энергии, надежностью, большим сроком службы, высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

1.1 Светоизлучающиие диоды

1.1.1 Области применения и требования к приборам

Светоизлучающий диод состоит из кристалла полупроводника с электронно-дырочным переходом и омическими контактами и элементов конструкции, предназначенных для сбора излучения, увеличения внешней оптической эффективности, улучшения восприятия свечения и формирования необходимой диаграммы направленности излучения, а также обеспечения электрического контактирования с внешней цепью и удобного монтажа прибора в аппаратуре. Таким образом, светоизлучающий диод - прибор, в котором осуществляется не только генерация света, но и перераспределение его в пространстве.

Рисунок 1.1 - Схематическое изображение светодиода

Требования к устройству и характеристикам светоизлучающих диодов определяются областями их применения:

1 Сигнальная индикация;

2 Подсветка постоянных надписей, меток на экране, шкалах;

3 Отображение шкальной информации в бесстрелочных измерительных приборах;

4 Разнообразные функциональные применения - маркировка фотопленок, контроль быстродействующих ФЭУ и т. п.

При рассмотрении применения светоизлучающих диодов в качестве сигнальных индикаторов различают панельную и внутрисхемную индикацию. К светоизлучающим диодам для панельной индикации предъявляются следующие требования:

а) сила света, как правило, должна превышать 1 мкд, причем яркость светоизлучающего диода должна превосходить яркость выключенного диода и яркость фона при максимально допустимой внешней освещенности;

б) площадь светящейся поверхности должна быть достаточна для уверенного восприятия сигнала: при наблюдении с близкого расстояния (0,5-1м) она должна быть не менее 1-3 мм2, при наблюдении с большего расстояния - не менее 8-10 мм2;

в) диаграмма направленности излучения должна быть достаточно широкой (угол излучения, как правило, должен превышать 50 °);

г) светоизлучающие диоды должны изготавливаться, по крайней мере, трех цветов свечения: красного, зеленого и желтого; желательно расширение цветности;

д) конструкция диодов должна иметь высокое отношение диаметра (поперечного размера) светящейся поверхности к наружному диаметру (размеру) прибора для обеспечения плотного монтажа диодов на панели.

Особенность применения светоизлучающих диодов для внутрисхемной индикации заключается в том, что они в этом случае наблюдаются с близкого расстояния (около 0,5 м) и монтируются, в основном, на печатной плате, включая ее торец. В связи с этим для внутрисхемной индикации могут использоваться диоды с малой площадью светящейся поверхности. Выводы диодов должны быть удобны для распайки на печатной плате. [7].

К светоизлучающим диодам, применяемым для подсветки, предъявляются требования большей силы света - десятки милликандел. При этом допустимо сужение диаграммы направленности излучения до 5-25°. Для отображения цифро-буквенной и графической информации на экранах, собранных из дискретных приборов, могут применяться широкоугольные светоизлучающие диоды, например используемые для панельной индикации. Для отображения шкальной информации используются миниатюрные светоизлучающие диоды и линейки из них. К этим приборам предъявляются требования широкого угла излучения и возможности бесшовной стыковки в линию.

В разнообразных фотоэлектрических устройствах и малоразмерных табло применяют бескорпусные светоизлучающие диоды. К ним предъявляют требования миниатюрности и наличия выводов, пригодных для монтажа методами микротехнологии.

Ко всем видам светоизлучающих диодов предъявляют следующие требования:

1) низкие токи питания (5-10 мА) И входные напряжения (менее 3 В) этим обеспечиваются совместимость светоизлучающих диодов с транзисторными интегральными схемами и низкая рассеиваемая мощность; последняя необходима для осуществления плотного монтажа приборов;

2) высокая надежность, больший срок службы, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;

3) высокая технологичность изготовления и низкая стоимость.

1.1.2 Светоизлучающий кристалл

Для изготовления светоизлучающих кристаллов используют эпитаксиальные структуры. Выбор вида эпитаксиальных структур определяется назначением диода и основными характеристиками кристаллов на основе рассматриваемых структур.

Для получения максимальной силы излучения предпочтительны структуры Ga0,7Al0,3As, GaP: Zn, О. Следует иметь в виду, что кристаллы на основе структур с прозрачной подложкой, например структур на GaP-подложке, имеют значительное боковое излучение, что позволяет при его сборе и использовании существенно увеличить силу света и силу излучения.

В производстве светоизлучающих диодов используются кристаллы весьма малых. Это вызывается следующими обстоятельствами: высокой стоимостью и дефицитностью исходных материалов; повышением квантового выхода излучения с увеличением плотности тока для большинства материалов; повышением эффективности оптической системы светоизлучающего диода для сбора и преобразования излучения при уменьшении размера кристалла; возможностью получить светящееся пятно необходимых размеров за счет различных конструктивных решений по прибору в целом.

Ограничивающие факторы в уменьшении размера кристалла: возрастающие трудности сборки, особенно автоматизированной, и деградация оптических характеристик приборов в процессе работы. В связи с изложенным, в настоящее время кристалл светоизлучающих диодов в большинстве случаев имеет размер грани от 0,35 до 0,5 мм.

Омические контакты к кристаллам изготавливают методами тонкопленочной технологии. Тонкий слой контактного металла более теплопроводен и электропроводен, чем толстый, вызывает меньшие механические напряжения в кристалле и позволяет скалывать или вырезать кристалл вместе с контактным металлом. Одновременно контакты в виде плоских пленок позволяют применить высокопроизводительную технологию приварки гибкого вывода и пайки кристаллов на кристаллодержатель с использованием современного микросборочного оборудования. [1].

При изготовлении контактов к кристаллам светоизлучающих диодов верхний омический контакт должен быть, с одной стороны, минимальной площади для уменьшения потерь света, с другой стороны, содержать площадку, согласованную по размерам со сварочным инструментом, а также иметь элементы, обеспечивающие равномерное растекание тока по площади р-n-перехода. Для достижения последней цели применяют также дополнительное поверхностное легирование структуры, например методом диффузии. Равномерное растекание тока по площади р-n-перехода улучшает стабильность диодов в процессе работы и вывод излучения из кристалла.

Нижний контакт может быть сплошным, если подложка непрозрачна для генерируемого излучения, и может быть отражающим свет для кристаллов с прозрачной подложкой. Во втором случае площадь омических контактов должна быть, с одной стороны, минимальной для обеспечения максимальной доли отраженного света, а с другой стороны, достаточной для обеспечения необходимого теплоотвода от кристалла и необходимой величины прямого напряжения.

Отражение света отражающим нижним контактом основано на эффекте полного внутреннего отражения света, падающего на границу раздела полупроводник-диэлектрик под углом, большим критического. Отраженный от нижней грани свет повторно падает на верхнюю или боковые грани кристалла и увеличивает долю выводимого из кристалла света. Этот процесс может повторяться несколько раз.

В последнее время изготавливают также кристаллы с мезаструктурой на основе высокоэффективных жидкостно-эпитаксиальнйх структур со сплошным р-n-переходом. Достоинства таких кристаллов следующие:

1) для структур с сверхлинейной зависимостью квантового выхода излучения от плотности тока (например, GaP : N) применение мезаструктур позволяет увеличить плотность тока и, тем самым, эффективность приборов;

2) уменьшение размеров светящейся области кристалла повышает эффективность оптической системы диода и, тем самым, эффективность прибора в целом;

3) увеличение плотности тока способствует повышению эффективности диодов при малых токах питания, что позволяет применять их в устройствах с батарейным питанием;

4) расширяется диапазон токов, в котором наблюдается линейная зависимость мощности излучения от тока, что позволяет использовать светоизлучающие диоды в аналоговых оптоэлектронных устройствах;

5) наличие травленой поверхности в месте выхода р-n-перехода наружу и отсутствие разрушенного резкой слоя повышает стабильность и надежность приборов в эксплуатации;

6) снижается трудоемкость монтажа кристаллов на держатель благодаря применению кристаллов приемлемых размеров.

Кристаллы с мезаструктурой на основе GaP : N из-за увеличения плотности тока в 2-3 раза позволили получить в 1,3-1,5 раза большую силу света, чем дают кристаллы плоской конфигурации с площадью р-n-перехода 0,25/мм2. Увеличение силы света обусловлено характерной для GaP : N зависимостью Jn, где J - плотность тока; nl,5.

Получают некоторое развитие также кристаллы с планарной структурой на основе жидкостно-эпитаксиальных структур со сплошным р-n-переходом, получаемые разделительной диффузией цинка (например, на основе Ga1-xAlxAs гетероструктур р+-р-n-типа). Достоинства приборов на основе таких планарных кристаллов - высокая эффективность, а также стабильность и надежность в процессе эксплуатации. По-видимому, применение жидкостно-эпитаксиальных кристаллов с мезаструктурой или планарным р-n-переходом в дальнейшем будет расширяться для создания приборов с повышенной эффективностью и надежностью.

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 вн=0,41 % (на сравнительных диодах с плоским кристаллом 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 Ga0,7Al0,3As) 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:

Страницы: 1, 2, 3