Расчет и проектирование светодиода (стр. 1 из 7)
ВВЕДЕНИЕ
1ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
1.1Светоизлучающиие диоды
1.1.1Области применения и требования к приборам
1.1.2Светоизлучающий кристалл
1.1.3Устройство светоизлучающих диодов
1.1.4Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения
1.1.5Индикаторы состояния
1.1.6Индикаторы на светодиодах
1.2Полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов
1.2.1Арсенид галлия
1.2.2Фосфид галлия
2РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕТОДИОДА
2.1 Основныепараметрысветодиода
2.2 Расчетсветодиода
2.2.1 Расчетэффективности светодиода
2.2.2 Расчет телесного угла
2.2.3 Примерный расчет эффективности
2.2.4 Уточненный расчет эффективности
2.2.5 Расчетсоставляющихэффективности
2.2.6 Расчетинжекции 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].