Светодиоды (LEDs) все еще популярны и продолжают совершенствоваться - часть 3

Выпуск 8/2003

Главный редактор - Владимир Крылов
Корреспондент - Владимир Власов
(03.12.2003)

Ожидаемое время жизни светодиодов

Среднее время наработки на отказ для светодиодов лежит в диапазоне от 100 000 до 1 000 000 часов. Это весьма длительный период при непрерывной работе, принимая во внимание, что в году 8 760 или 8 784 часов.

При протекании тока через p-n переход светодиода, флуктуации тока создают небольшие разности температур внутри кристалла. Эти разности температур создают напряжение на пространственной решетке. Дефекты пространственной решетки накапливаются с течением времени и снижают эффективность перехода энергии в фотоны, снижая таким образом световой выход. Степень истощения варьируется в зависимости от материала светодиода, температуры и прямого тока.

Синие и белые светодиоды

Существует две технологии получения белого света с помощью светодиодов. Один подход - смонтировать красный, зеленый и синий кристаллы в одном корпусе, как можно ближе друг к другу, и смешать их световые потоки в правильной пропорции для получения белого цвета. Проблемой такого подхода, игнорируя технические проблемы установки корректных уровней световых выходов, является стоимость 3 кристаллов. Тем не менее, трехцветные светодиоды популярны для применения в качестве подсветки LCD дисплеев, так как пользователь может установить подсветку любого оттенка.

Более дешевый подход, пионером которого стала фирма Nichia, основан на включении в синий светодиод люминофора, который поглощает часть синего света и флуоресцирует в широком спектре, достигая белого цвета. Некоторые из таких первых выпущенных белых светодиодов имели заметный синий оттенок, но благодаря последним разработкам их качество стало превосходным и позволяет использовать их в полноцветных PDA и сотовых телефонах.

Последние применения светодиодов

Производство светодиодов быстро изменилось в 80-х годах с появлением высокоэкономичных GaAlAs светодиодов и сверхэкономичных InGaAlP светодиодов (таблица 2). За короткое время квантовый выход светодиодов достиг нескольких процентов, стали доступны все основные (RGB) цвета и надежность сравнялась с надежностью других дисплейных технологий. Появились светодиоды для поверхностного монтажа: одноцветные (включая белые), двухцветные (обычно красные и зеленые) и трехцветные (рис. 15) и они получили распространение в подсветках для маленьких LCD дисплеев, панелей оборудования и внутренних досках объявлений (экранах и вывесках).

Наружные доски объявлений (экраны и вывески), использующие светодиоды вместо ламп накаливания с цветными фильтрами, используют светодиодные кластеры, где светодиоды сгруппированы близко друг к другу, так чтобы световые потоки объединялись для получения 25 мм (типично) пикселя (рис. 14). Эти доски объявлений (или различные вывески) используются в качестве рекламных дисплеев и дорожных знаков.

Другой быстрорастущий рынок - дорожные светофоры. Светофоры с лампами накаливания потребляют от 75 до 100 Вт, в зависимости от размера (20 или 30 см) и цвета (из-за различной пропускающей способности красного, зеленого и оранжевого фильтров). Светодиодные светофоры потребляют от 7 до 15 Вт и заменяются каждые 5 лет вместо 1 года для ламп накаливания.

Светодиодный кластерный пиксель Светодиоды для поверхностного монтажа
Рис. 14 Светодиодный кластерный пиксель для наружных досок объявлений (экранов и вывесок) Рис. 15 Светодиоды для поверхностного монтажа

Таблица 2. Развите светодиодов

Материалы кристаллов Годы Комментарии
GaAsP (Фосфид арсенида галлия) 1960-ые Обычные малоэффективные красные светодиоды полученные по жидкофазной эпитаксии
GaP (Фосфид галлия) 1970-ые Высокоэффективные красные светодиоды
GaA|As (Арсенид галлия-алюминия) 1980-ые На основе одинарных и двойных гетероструктур с эпитаксией из паровой фазы - увеличение эффективности
InGaA|P (Фосфид индия-галлия-алюминия) 1990-ые Металлоорганическая эпитаксия из паровой фазы
InGaN (Нитрид индия-галия) 2000-ые Сверхяркие зеленые и синие светодиоды

Дальнейшие применения светодиодов

Существующие сверхяркие светодиоды практически достигли значений светового выхода, сравнимых со световым выходом ламп накаливания и галогеновых ламп, не говоря уже о сроке службы - срок службы ламп накаливания в лучшем случае несколько тысяч часов. Кроме того, сила света светодиодов может быть уменьшена с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) и других способов. Таким образом, задача дальнейшего развития светодиодов - создать очень яркий белый светодиод, который был бы достаточно экономичным, для использования в бытовых целях. В настоящее время существует потребность в высокоэффективных лампах с большим сроком службы для отелей, предприятий и т.д,, не только из-за стоимости электроэнергии, но и из-за необходимости оплачивать труд, затраченный на замену вышедших из строя ламп.

Сравнение дисплейных технологий

LCD (дисплеи на жидких кристалах) - Отражающие

Технология - LCD дисплеи используют свойство жидких кристаллов в электрическом поле направлять свет от противоположно поляризованных передних и задних дисплейных пластин. Жидкий кристалл работает как спиральная направляющая (при приложении электрического поля), поворачивая поток света на 90° при его прохождении через пластины.

Преимущества:

Недостатки:

Светодиодные - Излучающие

Технология - Светодиоды - это полупроводники с испусканием фотонов, которые излучают свет благодаря инжектированной электролюминесценции. Длина волны излучаемого света зависит в основном от выбора полупроводниковых материалов и находится в основном в видимом или ИК спектре.

Преимущества:

Недостатки:

Органические и полимерные светодиодные дисплеи - Излучающие

Технология - Эти дисплеи используют органические электролюминесцентные материалы на стеклянной или гибкой подложке. Светодиоды, использующие в своей работе маленькие молекулы обычно называются OLED (Organic LED), а те что используют большие органические полимерные молекулы обычно называются PLED (Polymer LED). Свет излучается ими благодаря той же инжектированной электролюминесценции, как у светодиодов. Выбор органических материалов определяет цвет излучаемого света. OLED пиксель обладает ёмкостью (от десятков до сотен пикофарад), которая ведет к значительным потерям при переключениях у больших дисплеев с высокими мультиплексными соотношениями.

Преимущества:

Недостатки:

Вакуумные флуоресцентные дисплеи (VFD) - Излучающие

Технология - VFD (Vacuum Fluorescent Display) - вакуумная трубка, использующая нити накаливания для генерации термоэлектронов. Решетка (статический дисплей) или несколько решеток (мультиплексный дисплей) управляет(ют) и рассеивают термоэлектроны, которые притягиваются одним или несколькими высоковольтными анодами, покрытыми фосфором. Аноды расположены сзади дисплея, и испускаемый свет проходит через решетку(и) и нити накаливания к передней панели дисплея, и виден наблюдателю. Нити накаливания не настолько раскалены, чтобы быть видимыми.

Преимущества:

Недостатки: