Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных светодиодных экранов
(часть 2)
Выпуск 10/2005
Сергей Никифоров
(28.10.2005)
4. Светодиодные глубины: Основы полупроводниковой оптоэлектроники.
Если в кристалле полупроводника создан p-n переход, т.е. 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-области - в 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).
 |
| 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 Eg2, Eg3 расположен тонкий слой с меньшей шириной Eg. 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 ΔEc и дырок ΔEv. Если приложить к ереходу 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.
 |
| Рис. 8 Энергетическая диаграмма p-n гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении Uf |
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 ΔEc, дырки - на барьер ΔEv, поэтому и те, и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.
Применяемые материалы группы AIIIBV имеют диапазон ширины запрещённой зоны от 1,9 до 3,5 эВ (рис. 9). Твёрдые растворы AlGaInP на различных подложках излучают в диапазоне от 650 до 580 nm, структуры на основе GaN, InGaN имеют наибольший квантовый выход в пределах 540 - 400 nm.
 |
| 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 запрещённой зоны Eg - энергии, которую должен затратить заряд для прохода через эту зону. О вероятности излучательной рекомбинации в узкозонном слое говорит внутренний квантовый выход излучения ηi (число излучаемых фотонов на одну электронно-дырочную пару). В гетероструктурах величина ηi теоретически может быть близка к 100%.
5. 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).
 |
| 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 идёт 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 светоизлучающего диода с применением овальных линз (рис. 11), формирующих пространственное распределение с существенной разницей в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
 |
| Рис. 11 Светодиоды фирмы "Сotco" с овальной оптикой 110° х 50° |
В некоторых случаях достижения такого эффекта и для обеспечения максимальной равномерности диаграммы в материал линзы локально или по всему объёму вводится диспергатор. В результате, получается достаточно рациональная конструкция: с одной стороны, широкий (как правило - 110° по уровню 0,5) угол в горизонтальной плоскости даёт возможность построить экран, наблюдаемый под большими углами в этой плоскости без искажений, с другой стороны, небольшой вертикальный (30° - 50° 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.
Однако сложность состоит в том, что распределение светового потока внутри диаграммы направленности светодиодов разного цвета свечения редко бывают одинаковыми. Хотя, угловые характеристики по уровню 0,5, указываемые в спецификациях совпадают. Это связано с особенностью конструкций кристаллов, их геометрическими размерами, правильно подобранной оптикой, процентного содержания диспергатора в материале линзы и т.д. А невыполнение этого условия и приводит к появлению описанных искажений изображения, сформированного кластером из таких светодиодов (рис. 12).
 |
| Рис. 12 Относительная диаграмма пространственного распределения силы света кластера из 3-х светодиодов R, G, B фирмы "Toyoda Gosei" типа E1 L4 E- S с овальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Чёрным 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. |
Поэтому, важно понимать, что построение качественного устройства воспроизведения полноцветного изображения, где имеет место смешение цветов и формирование оттенков, невозможно без учёта характеристик распределения светового потока внутри диаграммы пространственного распределения излучения. Это условие касается также и 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, 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 обсуждён в следующем разделе статьи.
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 определённое соотношение интенсивностей основных цветов по формуле [6], исходя из спектральных параметров,
| F=rR+gG+bB |
| Формула [6] |
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 nm.
Но, кроме идентичности параметров спектрального распределения, необходимо остановиться на некоторых их значениях, требуемых для формирования правильной цветопередачи. МКО 1931г. рекомендует следующие координаты основных цветов (Таблица 1):
| X | Y | |
|---|---|---|
| R | 0,61-0,7 | 0,32-0,35 |
| G | 0,27-0,36 | 0,55-0,65 |
| B | 0,13-0,17 | 0,04-0,08 |
| 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 3 кристалла в одном корпусе (рис. 13), позволяющий формировать любой оттенок свечения, в том числе белый, как результат матрицирования 3-х цветов.
 |
| 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 х 0,3 мм.
Более того, будучи расположенными на одном основании, все 3 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 всё же, вносит искажения в равномерность смешения световых потоков (рис. 14).
 |
 |
| Рис. 14 Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света 3-х кристального RGB SMD светодиода LM1-TPP1-01 TTQ фирмы " COTCO" с дельтаобразным расположением кристаллов внутри корпуса. Чёрным 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 отдалённых 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. Это, например, светодиоды фирмы "Корвет-Лайтс" (рис. 15),
 |
 |
| Рис. 15 а - светодиод с оптикой Френеля на цилиндре б - светодиод с обычной цилиндрической линзой |
|
позволяющие использовать кристалл при повышенных плотностях тока - до 80 А/см2 и обладающих увеличенной по сравнению с другими конструкциями светоотдачей. Однако, равномерного смешения световых потоков кристаллов при использовании оптической системы получить не удаётся, поэтому широкого распространения такие приборы не получили, несмотря на свои незаурядные энергетические характеристики, едва 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 3 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 трудоёмко с технологической точки зрения, и как следствие, приводит к удорожанию продукта.
Поэтому, как правило, берут за основу один параметр, который можно скорректировать уже в составе светодиода. Это - сила света. Цветовые характеристики кристаллов тестируются и разделяются ещё до монтажа. А 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 3-х 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 остаётся 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 легко учесть программно и на самых малых уровнях интенсивности при самых коротких импульсах, когда интеграционная характеристика глаза приобретает функцию ех 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, вольтамперная 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 серьёзной темой для обсуждения, стоит говорить об этом отдельно, чтобы рассмотреть все подробности.
