Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных светодиодных экранов
(часть 1)
Выпуск 7/2005
Сергей Никифоров
(27.06.2005)
В этом выпуске нашего журнала мы начинаем серию статей кандидата технических наук Сергея Никифорова. Статьи явились результатом длительной работы в фотометрической лаборатории со светодиодами различных производителей из многих стран мира. Поскольку выбор светодиодов для использования в светодиодных экранах, электронных табло и светодиодных дисплеях и вывесках является едва ли не основной задачей, определяющей коммерческую успешность проекта, статья имеет не только огромную теоретическую, но и практическую значимость.
Аннотация
Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов, стало широкое использование этих приборов в системах отображения информации и световой сигнализации. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве источников света для этих устройств.
Реализация таких возможностей в этой области применения светодиодов достигается решением ряда технических задач, возникающих в процессе разработки конструкции диода. Анализу проблем конструкций светодиодов и кристаллов, оценке результатов собственных исследований характеристик и прогнозу тенденций повышения качества светодиодов посвящена данная статья.
1. Полупроводниковые источники света
Задача высечь огонь из чего бы то ни было, сопутствовала человечеству всю историю его существования. Однако, на определённом этапе, огонь, полученный с помощью кремния, разделился на большое количество функций, одной из которых является его важная составляющая - свет. По-разному решалась эта задача в прежние века, но в этой статье речь пойдёт о самом современном способе получения света из камня. Основой для построения современных полупроводниковых источников света служит излучающий кванты света p-n - переход. Существует множество вариантов создания p-n - перехода в полупроводнике, но мы остановимся только на тех структурах, которые способны излучать кванты электромагнитного излучения при протекании через них электрического тока.
Это - гетероструктуры с широкозонными p-n - переходами, у которых ширина запрещённой зоны более 1,9 эВ. В настоящее время созданы структуры, способные излучать во всём видимом диапазоне, ближнем ИК и ультрафиолете. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве различных источников света.
2. Светодиоды
Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25-30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения.
На основе вышеперечисленных полупроводниковых кристаллов с излучающими p-n - переходами создано огромное множество различных светоизлучающих диодов. Конструкция светодиода определяет направление, пространственное распределение, интенсивность излучения, электрические, тепловые, энергетические и другие характеристики излучения от полупроводникового кристалла. И, конечно, взаимное влияние всех этих параметров друг на друга.
Детальное изучение этой информации о светодиодах от различных производителей, различных конструкций и назначения, сравнение её с полученной в условиях лаборатории и позволило сделать некоторые важные выводы о качестве и областях применения светодиодов.
В последнее время, светоизлучающие диоды всё больше претендуют на использование их в освещении, художественной подсветке, ответственной сигнальной технике. Всё это стало возможным благодаря достаточно быстрому росту энергетических показателей, надёжности и долговечности этих квазимонохроматических источников излучения. Малое потребление электрической энергии, лёгкость формирования диаграммы направленности с помощью различной оптики, простота управления и самое важное - специфическое восприятие излучения глазом делают светодиоды незаменимыми для создания полноцветных экранов, вывесок и других средств представления информации в виде динамического изображения. Однако, это использование порождает особые требования к характеристикам светодиодов. Их исследования, оценки и сравнения стали предметом обсуждения в данной статье.
3. Теория светотехнических и электрических характеристик современных светодиодов и её связь со спецификациями производителей
Самой распространённой и обобщающей единицей, характеризующей энергетические параметры светодиода, является осевая сила света [cd]. Однако, эта величина абсолютно не читаема, если при этом не указать угол излучения по некоторому уровню от Iνmax.
Обычно, говорится об угле излучения по уровню половины максимальной силы света - при 0,5 Iνmax, хотя, иногда указывают и силу света по уровню 0,1 Iνmax - при 0,1 Iνmax. Совокупность этих двух параметров - угла излучения и осевой силы света - уже даёт представление, хотя и очень грубое, о том, в каком направлении распространяется и какой будет сила света при различных углах наблюдения. Для наиболее точного определения величины силы света при любом угле наблюдения, обычно приводится двухкоординатная плоская зависимость (θ), часто называемая индикатрисой излучения (рис 1).
 |
| Рис. 1 Индикатриса излучения светодиода с овальной линзой в полярных координатах. Изображены вертикальная (меньший угол) и горизонтальная (больший угол) плоскости излучения. |
Важной энергетической характеристикой излучения светодиода является световой поток F (lm), определяющийся как интеграл всей энергии, заключённой под пространственной индикатрисой излучения, [1]. Именно этот параметр производители светодиодов часто указывают в спецификациях. Особенно это касается мощных приборов с большим углом излучения и равномерным пространственным распределением, стремящимся к Ламбертовскому. Однако, даже в этом случае, невозможно достоверно оценить распределение светового потока внутри диаграммы и, соответственно правильно оценить силу света светодиода.
Подавляющее большинство простых математических пересчётов этих единиц, которыми пользуются потребители светодиодной продукции, оказываются абсолютно неверными и приводят к большой ошибке в проектировании энергетических характеристик устройств на светодиодах. Особенно это заметно при попытках пересчёта несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов. Поэтому стоит остановиться на некоторых методах определения светового потока и связи его с другими фотометрическими единицами, потому как, лишь только непосредственным измерением этой величины можно с большой точностью получить её значение.
Методы определения светового потока на основе малых сферических интеграторов (радиус сферы составляет порядка 300-400 мм) широко используются в электронной промышленности. При этом светодиод располагается во входном окне сферы. Однако при измерениях светодиодов с разным пространственным распределением силы излучения можно получить большие ошибки, т.к. геометрия распределения освещенности на внутренней поверхности интегратора будет различной.
Классический подход к измерениям полного светового потока с помощью сферического интегратора - это размещение источника излучения в центре сферы. Но даже в этом случае связь с эталоном люмена, погрешности, связанные с неравномерностью спектральных и зонных характеристик внутренней поверхности сферы, требуют особого внимания. Именно поэтому наиболее перспективным с точки зрения точности и информативности является метод пространственного сканирования силы света - гониофотометрический метод.
Используемые для этих целей приборы - гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг 3-10 угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и её пространственное распределение. На основании этих данных рассчитывается световой поток.
Получение светового потока светодиода F с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nIν(θ) при n -> ∞) и последующим вычислением среднего значения F, [2].
 |
 |
| Формула [1] | Формула [2] |
Распределение светового потока внутри диаграммы направленности позволяет судить о том, какая его часть попадёт к наблюдателю в зависимости от угла его зрения. Следует напомнить, что МКО 1931г. регламентирует т. н. "стандартного колориметрического наблюдателя", угол зрения которого определён в 1 град (рис.2) . Это обстоятельство учитывается при выборе этого параметра светоизлучающего диода в зависимости от его назначения. Однако, часто пользуются лишь индикатрисой излучения, что не всегда верно при расчётах восприятия.
 |
| Рис. 2 Элементарный световой поток, заключённый в телесном угле dΩ |
Применительно к экрану, табло или бегущей строке, как к источнику излучения совокупности светодиодов, площадью которого нельзя пренебречь по отношению к расстоянию до наблюдателя - не выполняется закон "обратных квадратов" [3] - используется другая единица, с помощью которой характеризуется энергетика излучения такого протяжённого источника - яркость Y [cd/m2].
 |
 |
| Формула [3] | Формула [4] |
Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (lm) к потребляемой электрической мощности (W). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов из материалов типа AIIIBIV стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона. Современные светодиоды имеют эффективность, достигающую 20-30 lm/W, а КПД колеблется от 9-16% в приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, InxGa1-xN, AlxGa1-xN, до 25-55% у светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов InyAlxGa1-x-yP.
Помимо энергетических, светодиоды характеризуются колориметрическими характеристиками. Знание этих параметров особенно важно при формировании правильной цветопередачи изображения в любом устройстве отображения информации, при использовании в светосигнальной технике, при проектировании оттенков подсветки в архитектуре и т. д.
МКО 1931г. установила трёхкоординатную XYZ - систему обозначения цвета любого источника излучения (рис. 3). Как уже отмечалось, светодиоды являются достаточно узкополосными (квазимонохроматическими) излучателями, полуширина спектров которых составляет всего 15-30 nm, что соответствует средней тепловой энергии электронов, поэтому координаты цветности их излучения лежат практически на линии "чистых" цветов локуса МКО 1931г.
Однако, имеется и более простая единица, характеризующая цвет - доминирующая длина волны λdom получаемая как результат пересечения прямой, проходящей через точку равноэнергетического источника типа "Е" и точку с координатами цветности данного светодиода и локуса МКО - 1931. Именно её указывают в технических характеристиках на светодиоды монохроматического излучения. Лишь, отдельные фирмы, и японская фирма "Nichia" в их числе, указывают координаты цветности, что, по сути, правильнее.
Однако, для устройств отображения информации, где важность цветопередачи изображения имеет очень высокий статус, этих характеристик зачастую, оказывается недостаточно. Поэтому разработчики этих устройств пользуются как правило, спектральными характеристиками светодиодов, преобразования которых могут позволить получить ряд параметров спектрального распределения излучения, позволяющих детально оценить возможность использования конкретного светодиода в формировании необходимого оттенка или гаммы цветов. Спектр излучения характеризуется, помимо указанных, такими характеристиками, как центральная λc и максимальная λmax длины волн, полуширина спектра λ1/2, интегральный коэффициент K [Lm/Wopt] [5].
 |
| Формула [5] |
Здесь E(λ) - относительное спектральное распределение светодиода, V(λ) - относительная спектральная световая эффективность.
Так, например, для получения высококачественного изображения на светодиодном экране, работающем по схеме формирования белого из 3-х основных цветов - RGB, необходимо, чтобы полуширина спектра источника каждого цвета была минимальна, что обеспечит высокую чистоту цвета поля изображения.
 |
| Рис. 3 Цветовой график МКО 1931г. |
Не менее важными, также, являются электрические характеристики светоизлучающих диодов. Это прямые и обратные вольтамперные характеристики (рис. 4-6), зависимости прямого напряжения Uf и прямого тока If от температуры окружающей среды, люмен-амперные характеристики (зависимости интенсивности излучения от прямого тока через светодиод). По этим параметрам можно определить необходимые характеристики источников питания проектируемых устройств и рассчитать режимы оконечных устройств коммутации, нагрузкой которых будут используемые светодиоды.
 |
| Рис. 4 Типичные прямые вольтамперные характеристики светодиодов |
 |
| Рис. 5 Зависимость потребляемой мощности Pdis от прямого тока If и динамическое сопротивление Rdin светодиодов. Зелёным цветом - на основе InGaN/AlGaN/GaN , красным - на основе AlInGaP/GaP. |
 |
| Рис. 6 Типичные обратные вольтамперные характеристики светодиодов |
Следует отметить, что все описанные выше характеристики светоизлучающих диодов находятся в непосредственной зависимости друг от друга, поэтому, как правило, лишь их совокупность позволяет правильно судить о тех или иных параметрах светодиода. Однако, наиболее точно определить не только соответствие заявленным производителем параметров светодиода, но и его качество, долговечность, можно лишь проведя комплекс измерений и расчётов его характеристик.
