Проблеми, теория и реалност на светодиодите - част 1
Доцент доктор. - Сергей Никифоров
Интензивното развитие на технологиите в областта на производството на оптоелектронни устройства, базирани на полупроводникови светоизлъчващи кристали, доведе до широкото използване на тези устройства в информационни дисплеи и системи за светлинна сигнализация. Голям избор от светещи цветове, комбинация от мощна радиация с всякаква форма на пространствено разпределение и получаване на всякакъв нюанс в широк динамичен диапазон на яркост отварят големи перспективи за използването на светодиоди като източници на светлина за тези устройства.
1. Полупроводникови източници на светлина
Задачата да удари огън от каквото и да било е съпътствала човечеството през цялата история на неговото съществуване. На определен етап обаче огънят, получен с помощта на силиций, беше разделен на голям брой функции, една от които е важният му компонент - светлината. Този проблем беше решен по различни начини през предишните векове, но тази статия ще се фокусира върху най-модерния метод за получаване на светлина от камък. Основата за изграждането на съвременни полупроводникови източници на светлина е квантите на излъчващата светлина p-n - преход.
Има много възможности за създаване на p-n преход в полупроводник, но ще се съсредоточим само върху онези структури, които са способни да излъчват кванти на електромагнитно излъчване, когато през тях протича електрически ток. Това са хетероструктури с p-n връзки с широка междина, в които енергийната междина е повече от 1,9 eV. Понастоящем са създадени структури, които могат да излъчват в целия видим диапазон, близо до IR и ултравиолетово лъчение. Голям избор от светещи цветове, комбинация от мощно лъчение с всякаква форма на пространствено разпределение и получаване на всякакъв нюанс в широк динамичен диапазон на яркост отварят огромни перспективи за използването на светодиоди като различни източници на светлина.
2. Светодиоди
Светодиодът е полупроводниково устройство, което преобразува енергията на електрически ток в светлина, чиято основа е излъчващ кристал. Светоизлъчващото диодно излъчване заема доста тясна лента (до 25-30 nm) от скалата на спектралното разпределение на плътността на енергийната плътност и следователно има характер на квазимонохроматично излъчване.
Въз основа на гореспоменатите полупроводникови кристали с излъчващи p-n преходи са създадени огромно разнообразие от различни светодиоди. Дизайнът на светодиода определя посоката, пространственото разпределение, интензивността на излъчване, електрическите, топлинните, енергийните и други характеристики на излъчването от полупроводников кристал. И, разбира се, взаимното влияние на всички тези параметри един върху друг.
Подробно проучване на тази информация за светодиодите от различни производители, различни дизайни и цели, сравнявайки я с тази, получена в лаборатория и ни позволи да направим някои важни заключения относно качеството и областите на приложение на светодиодите.
Напоследък светодиодите все повече се преструват, че се използват в осветлението, художественото осветление и технологията на отговорния сигнал. Всичко това стана възможно благодарение на доста бързото нарастване на енергийните характеристики, надеждността и дълготрайността на тези квазимонохроматични източници на лъчение. Ниската консумация на електрическа енергия, лекотата на формиране на лъча с помощта на различни оптики, лекотата на управление и най-важното, специфичното възприемане на радиацията от окото правят светодиодите незаменими за създаване на пълноцветни екрани, надписи и други средства за представяне на информация под формата на динамично изображение. Тази употреба обаче създава специални изисквания за светодиодни характеристики. Техните проучвания, оценки и сравнения са станали предмет на дискусия в тази статия.
3. Теория на осветлението и електрическите характеристики на съвременните светодиоди и връзката му със спецификациите на производителя
Най-често срещаната и обобщаваща единица, характеризираща енергийните параметри на светодиода, е аксиалната светлинна интензивност. Тази стойност обаче е абсолютно нечетлива, ако не посочите ъгъла на излъчване на определено ниво. Комбинацията от тези два параметъра - ъгълът на излъчване и аксиалният интензитет на светлината - вече дава представа, макар и много груба, за посоката, в която се разпространява и каква ще бъде интензивността на светлината при различни ъгли на видимост. За най-точно определяне на величината на интензитета на светлината при всеки ъгъл на наблюдение обикновено се дава двукоординатна плоскостна зависимост, често наричана радиационна индикатриса.
Важна енергийна характеристика на светодиодното лъчение е светлинният поток, който се определя като интеграл от цялата енергия, съдържаща се под пространствената индикатриса на лъчението. Именно този параметър производителите на светодиоди често посочват в своите спецификации. Това важи особено за мощни устройства с голям ъгъл на излъчване и равномерно пространствено разпределение, което се стреми към Ламберт. Дори и в този случай обаче е невъзможно надеждно да се оцени разпределението на светлинния поток в рамките на диаграмата и съответно да се оцени правилно интензитетът на светлината на светодиода.