Расчет и проектирование светодиода

• Таблица 1.1 - Основные материалы для светодиодов

Полупроводник	4050 710, А	Цвет	Эффективность %	Быстродействие, Нс
GaAs	9500 9000	ИК	12; 50 5* 0 2	10 5-7 0...10 5-6 0 10 5-9 0...10 5-8 0
GaP	6900 5500	Красный Зелёный	7 0,7	10 5-7 0...10 5-6 0 10 5-7 0...10 5-6 0
GaN	5200 4400	Зелёный Голубой	0,01 0,005
GaAs 41-x 0P 4x 0	6600 6100	Красный Янтарный	0,5 0,04	3 77 010 5-8 0 3 77 010 5-8 0
Ga 41-x 0Al 4x 0As	8000 6750	ИК Красный	12 1,3	10 5-8 0 3 77 010 5-8 0
In 41-x 0Ga 4x 0P	6590 5700	Красный Желто-зеленый	0,2 0,1

1.2.1 Арсенид галлия
Полупроводниковые светоизлучающие диоды изготавливают в настоящее время на основе бинарных и нтерметаллических соединений типа AIIIBV и многокомпонентных твердых растворов этих соединений. В данной главе будут кратко рассмотрены основные электрофизические свойства наиболее широко применяемых в производстве ветоизлучающих диодов полупроводниковых соединений -GaAs и GaP.
Большое внимание к GaAs в начальный период исследования соединений типа АIIIВV было связано с представлением о том, что На основе GaAs возможно создание высокочастотных и высокотемпературных транзисторов, так как подвижность электронов в нем значительно выше, а их эффективная масса почти на порядок меньшие, чем в Ge. Однако эти ожидания не оправдались, так как время жизни носителей в GaAs оказалось весьма малым.
Первые важные области применения GaAs были связаны с использованием его для производства туннельных диодов. Значительную и все возрастающую роль GaAs играет в производстве фотопреобразователей солнечной энергии в электрическую.
Наиболее массовое применение GaAs нашел в производстве диодных источников спонтанного и когерентного излучений. На основе GaAs созданы высокоэффективные излучающие диоды инфракрасного диапазона, находящие разнообразные применения в оптоэлектронике. Широкое применение в производстве светоизлучающих диодов, знаковых индикаторов, лазеров и ИК диодов находят твердые растворы GaAs с GaP и AlAs.
Основной промышленный метод получения GaAs - метод Чохральского. Значительное распространение находит также горизонтальная направленная кристаллизация по методу Бриджмена. Монокристаллы GaAs по параметрам распределяются на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те, Sn или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn [1].
Содержание посторонних примесей в GaAs n- и р-типов не превышает (% по массе): 1·10-5% Cu; 6·10-5% Со; 1·10-4% Fe; 5·10-6% Mn; 5·10-5% Cr; 2·10-5% Ni.
1.2.2 Фосфид галлия
GaP, так же как и GaAs, кристаллизуется в структуре цинковой обманки с ребром элементарной кубической ячейки 5,4506 А. Кратчайшее расстояние между центрами ядер элементов решетки GaP равно 2,36 А, что составляет сумму атомных радиусов Р (1,1 А) и Ga (1,26 А).
Промышленное получение монокристаллического GaP осуществляется в две стадии: синтез-получение крупных поликристаллических слитков и выращивание монокристаллов по методу Чохральского из расплава, находящегося под слоем флюса. Монокристаллы GaP по параметрам делятся на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те или S или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn, монокристаллы высокоомного GaP легируются хромом или другими примесями с глубокой энергией залегания. Следует отметить, что в связи с условиями выращивания (высокая температура, высокое противодавление Р, наличие флюса, отсутствие стойких контейнерных материалов) монокристаллы GaP характеризуются высоким уровнем неконтролируемых фоновых примесей (примерно 5·1016-1·1017 см-3), а также высокой плотностью дислокации (более 104 см-2). Поэтому монокристаллы GaP не обладают пригодной для практики люминесценцией и для получения светоизлучающих р-n-переходов необходимо выращивать эпитаксиальные слои GaP.
2 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕТОДИОДА
2.1 Основные параметры светодиода

Uгас. - напряжение гасящее;

Uпит. - напряжение питания;

Uсв. - напряжение светодиода;

Iсв. - ток светодиода ;

Rсв. - нагрузочный резистор светодиода;

Есв. - эффективность светодиода;

F - световой поток;

Р - мощность;

? - телесный угол;

? - угол наблюдения;

I - сила света.
2.2 Расчет светодиода
Исходные данные:
Ток светодиода - 20 mA;
напряжение сети - 9 В;
напряжение светодиода - 3,6 В;
угол наблюдения - 15°;
сила света - 6,4 кд
2.2.1 Расчет эффективности светодиода

Эффективность E светодиодов (далее СИД) определяется отношением светового потока F, производимого СИД к «закачанной» в него мощности P. Это общая эффективность, включающая в себя энергетическую эффективность самого СИД, зависящую от физики работы, материала и конструкции СИД и световую эффективность зрения для спектра излучения данного СИД. Общая эффективность измеряется в люменах (лм) на ватт (Вт):

E=F/P, лм/Вт (2.1)

Но, так как производители указывают, как правило, в качестве основного светотехнического параметра СИД силу света I, измеряемую в канделах, то нужно пересчитать канделы в люмены. Сила света определяет пространственную плотность (интенсивность) светового потока (luminous intensity):

I=F/?, лм/ср (2.2)

где ? - телесный угол, измеряемый в стерадианах (ср).

2.2.2 Расчет телесного угла

Для того чтобы ознакомиться с понятием телесного угла, придется совершить краткий экскурс в стереометрию. Площадь поверхности шара радиусом R составляет 4?R2. Если выделить на поверхности шара область площадью R2, то мы получим конус с пространственным углом как раз в один стерадиан. Запомним, что полная площадь поверхности шара составляет 4? стерадиан. Полезно знать, что телесный угол ? связан с плоским углом ? соотношением:

?=2?(1-cos?/2), ср (2.3)

Тогда ?(1ср)=65°32', ?(?ср)=120°, ?(2?ср)=180°, ?(4?ср)=360°. Угол ? это и есть угол, приводимый изготовителями панели как угол наблюдения или угол излучения (viewing angle или radiation angle), определяемый по спаду силы света на 50%.

2.2.3 Примерный расчет эффективности

Теперь, зная приводимый изготовителями угол наблюдения, можно приблизительно определить световой поток СИД: F=I?.

Для примера возьмем белый светодиод NSPL500S (Nichia) с углом наблюдения ?1=15°. Тогда телесный угол, рассчитанный по формуле (2.3):

?=2?(1-cos?/2)=2*3,14(1-cos15/2)=0.0538

Сила света этого СИД 6.4 кд. Значит световой поток, рассчитанный по (2.2) составит:

I=F/?, >F=I ?= 6.4*0,0538=,0344лм.

F1=0.344 лм.

Прямое падение напряжения на СИД составляет 3.6 В при токе 20 mА. Следовательно, «закачиваемая» в СИД мощность составит:

P=U*I=3.6B*20mA=0.072Вт

а эффективность, в соответствии с (2.1) составит:

E1= F/P =0.344лм /0.072Вт=4.78 лм/Вт.

2.2.4 Уточненный расчет эффективности

Более точно телесный угол можно определить по диаграмме излучения, обычно приводимой изготовителями в полярных или декартовых координатах. Для СИД NSPL500S диаграмма выглядит так:

Рисунок 2.1 Диаграмма излучения

Когда мы рассчитываем телесный угол по углу наблюдения, то предполагаем, что излучение сосредоточено в прямоугольнике шириной 15 градусов, высотой единица и площадью S1=15 условных единиц (прямоугольник с зеленой штриховкой). Но если рассчитать площадь под кривой диаграммы направленности (сосчитать интеграл), то она составит S2=17.5 условных единиц (на графике показан равный по площади прямоугольник с красной штриховкой). Это эффективный угол наблюдения. Следовательно, для более точного расчета нужно использовать угол ?2=17.5°. Тогда:

?=2?(1-cos?/2)=2*3,14(1-cos17,5/2)=0.0731;

I=F/?, >F=I ?= 6.4.*0,0731=0,47лм;

E2= F/P =0.47лм /0.072Вт=6.5 лм/Вт.

?2=0.0731, F2=0.47 лм, E2=6.5 лм/вт.

2.2.5 Расчет составляющих эффективности

Общая эффективность светоизлучающего прибора Е определяется двумя составляющими: энергетической эффективностью прибора Ee и световой эффективностью Ev.

Первая составляющая. Энергетическая эффективность Ее - это отношение выходной оптической к входной электрической мощности. В англоязычной литературе для энергетической эффективности принято сокращение WPE (Wall-Plug-Efficiency). На рисунке показаны энергетические потери в светодиоде.

Рисунок 2.2 Схема энергетических потерь в светодиоде.

Вторая составляющая - это световая эффективность Ev. Слово «свет» предполагает наблюдателя - человека. Спектр зрения человека ограничен диапазоном длин волн от 380 до 780 нм. Вне пределов этого диапазона слово «свет» неприменимо (хотя и употребляется, например инфракрасный или ультрафиолетовый свет вместо излучение). Мало того, чувствительность зрения к различным длинам волн различна и определяется т.н. кривой видности V(?).

Светодиод излучает не на одной длине волны, а в некотором промежутке длин волн. Интенсивность распределения оптической мощности в пределах этого промежутка описывается кривой, называемой энергетическим (или оптическим) спектром излучения Fe(?). Оптическая мощность определяется площадью под кривой спектра и измеряется в ваттах. Для расчета световой мощности нужно перейти от энергетических величин (ватт) к световым (люменам), для чего необходимо перемножить энергетический спектр Fe(?) на кривую видности - V(?) (для выполнения данной операции используем приложение Microsoft Office - Excel ):

Рисунок 2.3 Графический расчет световой мощности

Тогда световая эффективность определится как отношение световой мощности к оптической:

Ev=Fv/Fe (2.5)

где Fe, Fv - интегралы функций Fe(?), Fv(?).

Максимальное значение световой эффективности приходится на длину волны 555 нм и составляет 683 лм/вт.

Теперь, зная энергетическую и световую эффективность, можно определить общую эффективность:

E=Ee*Ev (2.6)

На рисунке 2.4 показана структурные составляющие эффективности светодиода:

Рисунок 2.4 Структурные составляющие эффективности светодиода.

Вернемся к примеру со светодиодом NSPL500S. Рассчитанная вышеуказанным способом световая эффективность этого светодиода составляет 320 лм/вт. Ранее рассчитанная общая эффективность составляет E=6.5 лм/вт. Тогда энергетическая эффективность, или КПД светодиода составит Ee=0.02 (вт/вт), или 2%.

Энергетическая эффективность светодиодного кристалла составляет от 5 до 20%. Существенная доля потерь связана с потерями фотонов при выводе из корпуса светодиода. Чем шире диаграмма направленности светодиода, тем меньше эти потери. Характерные значения КПД светодиодов - от 1 до 10%. Для сравнения, КПД парового двигателя 5 - 7%.

2.2.6 Расчет инжекции не основных носителей тока

В основе работы полупроводниковых светоизлучающих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшие из них: инжекция не основных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо- или гетеропереходом; излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры.

Явление инжекции не основных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов (эти приборы часто называют инжекционными источниками света). Вопросы физики протекания инжекционного тока в р-n-переходах рассмотрены в работах Шокли и многих монографиях. В обобщенном виде инжекция носителей р-п-переходом может быть представлена следующим образом (рисунок 2.5).

Когда в полупроводнике создается р-n-переход, то носители в его окрестностях распределяются таким образом, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев p- и n-типов электроны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n-сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р-стороне. Электрическое поле дипольного слоя создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов [5].

При подаче на р-n-переход электрического смещения в прямом направлении U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область - дырок. Такое диффузионное введение не основных носителей называется инжекцией.



І- зона проводимости; ІІ -запрещённая зона; ІІІ - валентная зона

Рисунок 2.5 - Энергетическая диаграмма, поясняющая механизм действия инжекционного светодиода (а); его яркостная характеристика (б) и эквивалентная схема.

Концентрация инжектированных электронов на границе р-n-перехода и р-области n'(хp) определяется выражением:

п'(Хр)=np·exp(еU/kT), (2.7)

где nр-концентрация равновесных электронов в р-области;

k-константа Больцмана;

Т-температура;

e-заряд электрона.

Концентрация инжектированных носителей зависит только от равновесной концентрации не основных носителей и приложенного напряжения.

Поскольку инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями соответствующей области, то их концентрация п'р в зависимости от расстояния от р-n-перехода изменяется следующим образом (для электронов в р-области):

n'p=n(xp)exp[-(x-xp)/Ln], (2.8)

где Ln - Диффузионная длина электронов.

Как следует из формулы (2.8) концентрация избыточных носителей экспоненциально спадает по мере удаления от р-n-перехода и на расстоянии Ln (Lр) уменьшается в e раз, где e 2,72 (основание натурального логарифма).

Диффузионный ток In, обусловленный рекомбинацией инжектированных электронов, описывается выражением:

In=eDnnp[exp(eU/kT)-1]/Ln (2.9)

где Dn - коэффициент диффузии электронов. Диффузионный ток дырок In описывается аналогичным выражением. В случае, когда существенны оба компонента тока (электронный и дырочный), общий ток I описывается формулой:

I = (In0 + Iр0)·[exp(eU/kT) - 1], (2.10)

где

In0 = eDn·np/Ln; Ip0=eDp*pn/Lp. (2.11)

Особенность решения вопросов инжекции при конструировании светоизлучающих диодов, в которых, как правило, одна из областей p-n-структуры оптически активна, т.е. обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения, заключается в том, что для получения эффективной электролюминесценции вся инжекция неосновных носителей должна направляться в эту активную область, а инжекция в противоположную сторону-подавляться [4].

Если активна область р-типа, то необходимо, чтобы электронная составляющая диффузионного тока преобладала над дырочной, а интенсивность рекомбинации в области объемного заряда была низка. Коэффициент инжекции п , т.е. отношение электронной компоненты тока In0 к полному прямому току I=In0+Ip0, определяется по формуле:

n=LpNd/[LpNd+(Dp/Dn)·LnNa], (2.12)

где Nd и Na - концентрации доноров и акцепторов в л- и р -областях.

Из выражения (2.6) следует, что для получения величины п, близкой к 1, необходимо, чтобы Nd>>Na, Lp>Ln, Dn>Dp. Решающую роль, безусловно, имеет обеспечение соотношения Nd>>Na. Однако повышение концентрации носителей в инжектирующей области имеет свои пределы. Как правило, значения Nd (или Na) не должны превышать (1-5)·I019 см-3, так как при более высоком уровне легирования возрастает концентрация дефектов в материале, что приводит к увеличению доли туннельного тока и ухудшению, тем самым, инжектирующих свойств р-n-перехода [2]. Как будет видно из дальнейшего изложения, для повышения внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в прямозонных полупроводниках необходимо повышать концентрацию носителей и в активной области, в связи с чем возникают дополнительные трудности с обеспечением одностороннего характера инжекции. Таким образом, в гомопереходах существуют трудности по обеспечению высокого коэффициента инжекции носителей в активную область, обусловленные противоречивыми требованиями к легированию p- и n-областей структуры для достижения высокого коэффициента инжекции и максимального квантового выхода электролюминесценции в активной области. В некоторых полупроводниках высокий коэффициент инжекции носителей в одну из областей р-n-перехода может быть обеспечен разницей в подвижности электронов и дырок. Так, в GaAs и других прямозонных соединениях высокий коэффициент инжекции электронов в р-область может быть осуществлен за счет более высокой подвижности электронов.

2.2.7 Расчёт светодиодного резистора
Светодиод должен иметь резистор последовательно соединенный в его цепи, для ограничения тока, проходящего через светодиод, иначе он выйдет из строя практически мгновенно.
Резистор R определяется по формуле :
R = (V S - V L) / I
Рисунок 2.6 - Схема подключения .
V S = напряжение питания
V L= прямое напряжение, расчётное для каждого типа диодов (как правило от 2 до 4 волт)
I = ток светодиода (например 20мA), это должно быть меньше максимально допустимого для выбраного диода
Например: Если напряжение питания V S = 9 В, и есть красный светодиод (V = 2V), требующие I = 20мA = 0.020A,
R = ( 9 В) / 0.02A = 350 Ом.
Вычисление светодиодного резистора с использованием Закон Ома
Закон Ома гласит, что сопротивление резистора R = V / I, где :
V = напряжение через резистор (V = S - V L в данном случае)
I = ток через резистор
Итак R = (V S - V L) / I =(9В-3,6В)/0,02А=270Ом.
ВЫВОДЫ
В ходе данной курсовой работы:
были рассмотрены свойства светоизлучающих диодов, а также их типы, устройство, светоизлучающий кристалл и полупроводниковые материалы, используемые в производстве ;
были произведены расчеты некоторых параметров светодиода, а именно рассчитана эффективность светодиода, инжекции не основных носителей и нагрузочного резистора.
В ходе данных расчетов было установлено, что эффективность бывает, как приблизительная, так и уточнённая (E1=4.78 лм/Вт и E2=6.5 лм/вт). Был рассмотрен теоретический расчет инжекции не основных носителей в светодиодах и приведён пример расчёта светодиодного резистора (R=270 Ом).
Данные расчеты необходимы при проектировании, выборе и применение в какой либо цепи, светодиода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин “Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. / Справочник.”- М.: Энергоатомиздат, 1984 г..
2. Коган Л.М. Дохман С.А. Технико-экономические вопросы применения светодиодов в качестве индикации и подсветки в системе отображения информации. - Светотехника, 1990 - 289с.
3. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды, М.1989г. - 415 с.
4. Воробьев В.Л., Гришин В.Н. Двухпереходные GaP-светодиоды с управляемым цветом свечения. - Электронная техника. 1977 г. - 368 с.
5. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов.М.: Советское радио 1969г. - 294 с.
6. Амосов В.И. Изергин А.П. Диодные источники красного излучения на GaP, полученном методом Чахральского. 1972г. - 183 с.
7. Нососв Ю.Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М. 1978г. - 265 с.
8. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. М. 1979г. - 315 с.
9. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. - М.: Высшая школа, 1987. - 416 с.
10. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1983. - 384 с.
11. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов. радио, 1980. - 424 с.
12. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова - М.: Энергоатомиздат, 1985г. - 904 с.
13. Ю П. Основы физики полупроводников /П. Ю, М. Кардона. Пер. с англ. И.И. Решиной. Под ред. Б.П. Захарчени. 3-е изд. М.: Физматлит, 2002. 560 с.
14. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. М., “Советское радио”, 1970. - 392 с.
15. Тейлор П. Расчет и проектирвание тиристоров: Пер с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 208с.
16. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. - 4-е изд., К.: Вища школа,1983 г . -384 с.

Страницы: 1, 2, 3