CC BY
78
Огляди
ОГЛЯДИ
УДК 621.3.049.771
ЭВОЛЮЦИЯ СВЕТОДИОДОВ - ОТ "ХОЛОДНОГО СВЕТА" ЛОСЕВА ДО ОСВЕЩЕНИЯ УЛИЦ (Часть I)
Антипенко Р.В., Руденко Н.Н., Силакова Т.Т.
Разработанные в 70-80-х гг. прошлого столетия светодиоды (СД), цифро-знаковые индикаторы, элементы шкал и экранов на основе бинарных соединений и твердых растворов А В нашли широкое применение в устройствах индикации, контроля и отображения информации малой мощности как гражданского, так и спецприменения. Помимо "грязного" цвета свечения, не соответствующего стандартам, эти СД имели низкую эффективность и силу излучения единицы или десятки милликандел, тогда как в обычных светотехнических устройствах этот параметр должен составлять тысячи и десятки тысяч кандел. Комплексные исследования по влиянию проникающей радиации (нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов) проводились в ограниченном масштабе.
В 90-х гг. за рубежом, в основном в Японии и США, были созданы эффективные полупроводниковые источники излучения второго поколения на основе AlInGaP, способные заменить лампы накаливания (ЛН) и люминесцентные лампы (ЛЛ) в светотехнических приборах большого радиуса действия, таких, как шоссейные и железнодорожные светофоры, бакены и маяки, бортовые сигнальные и осветительные огни, дополнительные сигналы торможения, дорожные знаки, информационные табло, лампочки для шахтеров и т.д. Если в СД первого поколения лишь гетероструктуры на основе AlxGa1-xAs/GaAs, излучающие в красной области спектра, обладали высоким внешним квантовым выходом (5-8%) при светоотдаче до 5 лм/Вт, то у СД на основе твердых растворов алюминия индия галлия фосфора, излучающих в красной и желтой области спектра, квантовая эффективность составила 12-18%. У лабораторных образцов внешняя эффективность достигала 65%.
В 1989 г. Ш. Накамура из фирмы Nichia начал исследование пленок нитридов галлия и так сумел подобрать легирование (Mg или Zn) и термоэлектронную обработку, что смог получить эффективную инжекцию гетеро перехода в активную Ga1-xInxN область, легированную цинком. Спектральные максимумы голубых и зеленых СД лежали около 460 и 520 нм. В 1993 г. фирма Nichia начала выпуск синих СД.
Дальнейшее использование «синих» СД и желтого люминофора позволило создать источник белого света по светоотдаче превосходящий ЛН. Разработаны мощные СД (ток до 350 мА), способные заменить ЛН, ЛЛ и другие источники освещения при напряжении питания не более 5 В и существенной экономии электроэнергии.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 119
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
В настоящее время данное направление оптоэлектроники бурно развивается. Начиная с 2000 г. ежегодный прирост капиталовложений в эту область составил 58% и к 2006 г. достиг 3 млрд. долларов США. В 2007 г. объем выпуска "сверхярких" мощных СД достигнет 12 млрд. шт. Число патентов превышает 1000 наименований в год. По оценкам специалистов внедрение СД в светотехнику сейчас происходит быстрее, чем в свое время внедрение транзисторов в радиоэлектронику. Сложившееся положение называют промышленной революцией в оптоэлектронике и светотехнике.
Начиная с 2004 г. 50% общего объема выпуска составляют белые СД. По рейтингу они являются лидерами среди альтернативных источников освещения: ламп накаливания и люминесцентных ламп.
В настоящее время мощные СД и светоизлучающие устройства (СДУ) белого цвета являются наиболее быстро развивающимися направлениями оптоэлектроники и светотехники. По эффективности они превзошли ЛН и вплотную подошли к уровню ЛЛ по основному параметру - светоотдаче (60 лм/Вт). Вследствие малой потребляемой энергии, большого срока службы, превышающего 100000 ч., высокой эффективности преобразования электрической энергии в излучение, отсутствия ИК и УФ подсветки, экологической безопасности они прочно занимают первое место в рейтинге источников освещения. (0,6±0,2)-10-16 см2
Впервые холодный свет точечного контакта с карборундом наблюдал в 1927 году О. Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории, впоследствии этот эффект был идентифицирован как инжекционная люминесценция p-n-перехода [1]. Первые СД появились в 1962 г. (Н. Холоньяк «General Electric», США), а первые серийные СД появились в 1967-68 гг. на основе твердых растворов А В (Monsanto и Hewlett-Packard) и на карбиде кремния в НИИ 311 [2]. Световой поток составлял всего 0,001 лм, цвет - красный и желтый [1]. К 1976 г. были получены оранжевые, желтые и желто-зеленые СД, яркие настолько, что их можно было разглядеть при солнечном свете. До 1985 г. они использовались исключительно в качестве индикаторов, со световым потоком всего лишь 0,1 лм. С 1985 г. их световой поток увеличился на 1-100 лм, и они стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобиле [3].
Конец 20-го века ознаменовался революционными изменениями в технологии освещения. Светодиоды прочно заняли свое место в секторе монохромного освещения, найдя применение в автомобильных фонарях, светофорах, дорожных знаках, вывесках и указателях. Последние достижения базовой полупроводниковой технологии позволят СД в скором времени составить серьезную конкуренцию существующим источникам белого света. Вдобавок к долговечности и низкому энергопотреблению, они обладают целым рядом преимуществ перед существующими на сегодняшний день и широко используемыми источниками света. Небольшие размеры
120
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
делают спектр их применения необычайно широким. Несколько светодиодов, объединенных в один корпус, способны заменить обычную лампу накаливания. Как источники света для наружного и декоративного освещения, они обладают рядом уникальных достоинств, среди которых точная направленность света, возможность управления цветом и интенсивностью излучения. Все это позволяет предположить, что наступившее третье тысячелетие станут по праву называть эрой светодиодной техники.
Получение СД все большей световой эффективности стало возможным за счет поиска и использования новых материалов с большей светоотдачей и цветовым спектром. Первыми появились СД (GaAlInP) с цветами от красного до желто-зеленого и светоотдачей 20лм/Вт. В 1993 году японская корпорация Nichia объявила об открытии высокоэффективного материала голубого цвета - нитрида галлия (GaN) [4]. Это означало, что СД освоили практически весь видимый цветовой спектр. Это существенно расширяло области их применения и делало возможным создание белого света путем комбинирования красных, зеленых и голубых СД. Для того чтобы осуществить прорыв на рынок общего освещения, требующего от источников световой поток порядка 1000 лм и выше, необходимо добиться дополнительного увеличения световой эффективности зеленых и синих СД.
Строить прогноз роста эффективности белых СД сложно. Однако, т.к. в настоящее время эффективность зеленых и синих чипов составляет в среднем 30%, то это открывает определенные перспективы роста эффективности. Когда она достигнет уровня 100-150 лм/Вт, то они явятся реальной альтернативой ЛЛ. Такой оптимистический прогноз базируется на примере красных СД, чья эффективность еще в конце 80-х была лишь 5 лм/Вт, а сегодня - почти 75 лм/Вт.
На долю освещения приходится около 16% всей производимой в мире электроэнергии. Можно выделить 3 основных сектора потребителей электроэнергии для освещения - промышленный, коммерческий (общественный) и жилой. Потребности каждого из секторов представлены в табл. 1.
Таблица 1. Потребление электроэнергии на освещение
Сектор Доля освещения в потребляемой электроэнергии, % Ежегодное увеличение потребления электроэнергии на освещение, %
Промышленный 6,3 0,9
Коммерческий 28,6 0,1
Жилой 11,4 1,5
Увеличение световой эффективности существующих ресурсов освещения позволит производить необходимое количество света, уменьшая при этом потребность в электроэнергии. Каковы тенденции рынка освещения сегодня? Из приведённого ниже графика, видно, что они имеют стойкую тенденцию к дальнейшему развитию.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 121
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
Характерно, что низкоэффективные ЛН затрачивают электричество для нагревания вольфрамовой нити. Люминесцентные лампы, хотя и эффективнее ЛН почти в 6 раз, используются в освещении жилых помещений не так широко, как ЛН по причине неадекватной восприимчивости света человеческим глазом и дороговизны. Галогенные лампы могут составить конкуренцию ЛН, но, тем не менее, массовое их использование ограничено рядом причин, в том числе высокой ценой. Что касается СД, максимальная эффективность которых еще не достигнута, потенциально они могут претендовать на значительную долю рынка освещения в течение следующих 5-10 лет (см. рис.1)
■ лампы накаливания
■ галогенные лампы
' люминесцентные лампы
светодиоды
Годы
Рис. 1. Сравнение эффективности развития различных видов освещения
Однако, использование различных по эффективности источников света неоднородно в зависимости от групп потребителей. Коммерческий и промышленный секторы используют большее количество высокоэффективных источников освещения, нежели жилой.
Например, в количестве света, потребляемом коммерческим сектором, доля ламп накаливания составляет 5,2%, люминесцентных - 79,8% и высоко интенсивных (HID) - 15,1%. Суммарно, доля высокоэффективных источников составляет 94,8% потребляемого коммерческим сектором освещения. Для сравнения, жилой сектор гораздо больше света получает от низкоэффективных ламп накаливания, а доля люминесцентного и других высокоэффективных источников света составляет всего 13%.
(Продолжение следует)
Литература
1. Берг Д. Светодиоды. М., Мир. — 1972. — 450 с.
2. Мешков С.П. Основы светотехники. М.Техническая литература.1960.Т.1,2. 230 с.
3. Коган Л.М. Современное состояние полупроводниковых излучающих диодов. Электронные компоненты. 2000. №2. с. 22-27.
4. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. М. Радио и связь. 1990. 321 с.
5. Абрамов В.С., Щербаков Н.В. Светодиоды и лазеры. №1-2. 2002. с. 25-30
6. Абрамов В. С., Маняхин Ф.И., Рыжиков В.И., Щербаков В.Н. Радиационная де-
122
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
градация светодиодов на основе (AlxGa1-x)InP. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М. МЭИ. с. 151-159.
7. Рыжиков И.В., Селезнев Д.В., Щербаков В.Н. Исследование влияния нейтронного и гамма облучения на электрические характеристики и силу света гетероструктур с красным и желтым цветом свечения. // Технологии приборостроения. № 4, с. 11-22.
8. Рыжиков В.И. Методы контроля радиационной деградации и оценка радиационной стойкости светодиодов на основе нитрида галлия. Сб. Моделирование и исследование сложных систем. М.: МГАПИ. 2004. Т.1. с.3-7.
9. Yunovich A.E., Kudryasov V.E., TurkinA.N. Spectra and quantum emitting diodes based on GaN-heterostruktures with quantum wells. Physic Status Solid. V. 176. N1. P. 125.
10. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. М. Мир. 1981.
11. Lumileds. Application Note POI. Lumileds custom Luxeon. 2002.№ 1-2. P.1-20
12. M. George Graford. Visible light-emitting diodes: past, present and very bright fu-ture//MRS bulletin. 2000. N 1. P.27-31.
13. Agilent Technologies // Projected Long term HTOL light Output degradation of precision optical performance AlInGaP LeDs. 2004. P.1-2.
14. Lumileds custom luxeon power light source design. Copiright c 2000 Lumileds Lighting Publicstion. 2001. P.1-20.
15. Long term reliability data for AlInGaP technology T. 1. LED lamps // Application brief I-021. 2001. P. 1-9.
16. Волков В., Закгейм А., Иткинсон Г. Мощные полупроводниковые источники излучения. Электроника. Наука, технология, бизнес. 1999. №3. с. 16-31.
Антипенко Р.В., Руденко Н.М., Силакова Т.Т. Еволюція світлодіодів — від "холодного світла" Лосєва до освітлення вулиць (частина 1). В огляді розглянута історія розвитку напівпровідникових світлодіодів, проведено аналіз стану сучасного ринку світлодіодів, нових матеріалів та технологій, світових тенденцій та перспектив.
Ключові слова: світлодіоди, напівпровідники, світловипромінюючі пристрої____________
Антипенко Р.В., Руденко Н.Н., Силакова Т. Эволюция светодиодов — от "холодного света" Лосева до освещения улиц (часть I). В обзоре рассмотрена история развития полупроводниковых светодиодов, проведен анализ состояния современного рынка светодиодов, новых материалов и технологий, тенденций и перспектив.
Ключевые слова: светодиоды, полупроводники, светоизлучающие устройства______________
Antipenko R.V., Rudenko N.M., Silakova T. Evolution of a lumileds — from "cool light" Loseva to lighting of streets (part 1). In review are considered history development of semiconductor lumileds, done analysis up-to-date market lumileds, a new material and technology, are showed world tendencies and perspectives.
Key words: lumileds, semiconductors, lighting devices_______________________________
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
123
