Л. Коган

Полупроводниковые излучатели с повышенной мощностью излучения

В последнее время повысился интерес к созданию светосигнальных приборов на основе светодиодов с увеличенным световым потоком. Планируется использовать их для обозначения вертолётных посадочных площадок, оградительных огней на высоких зданиях, створных огней в навигационных системах водных путей, в терапевтическом медицинском оборудовании и т. п.

Значительный интерес проявляется также к созданию излучающих диодов инфракрасного диапазона с повышенной мощностью излучения. Эти приборы найдут применение в технике ночного видения, в системах оптической связи в атмосфере, в системах дистанционного управления бытовым и промышленным оборудованием, в охранных системах, в терапевтическом медицинском оборудовании и т. п.

В статье приводятся результаты исследований и разработок НТЦ ОЭП “ОПТЭЛ” по созданию светодиодов и ИК-диодов с повышенной мощностью излучения. Применение этих приборов в светосигнальной и радиотехнической аппаратуре позволит повысить её надёжность и долговечность, вибро- и ударопрочность, а также снизить потребление электроэнергии.

Светодиоды с увеличенным световым потоком

Поскольку светодиоды имеют относительно невысокую световую отдачу (10...20 лм/Вт) [1], то для увеличения светового потока или силы света необходимо увеличивать потребляемую электрическую мощность, что может быть достигнуто использованием нескольких кристаллов в одном приборе либо одного кристалла увеличенной площади при одновременном обеспечении эффективного теплоотвода.

При разработке светодиодов с увеличенным световым потоком были использованы высокоэффективные излучающие структуры в системе GaInAlP/GaAs [2], эффективные отражатели бокового излучения кристаллов, оптически согласованные с полусферическим полимерным куполом, предусмотрены конструкторские решения по обеспечению эффективного теплоотвода от излучающих кристаллов при повышенных значениях потребляемой мощности.

Светодиоды содержат 4 излучающих кристалла площадью ~0,07 мм². В качестве кристаллодержателя использована ножка КТ-2 с наваренной медной пластиной. При параллельном соединении кристаллы непо-средственно монтируются токопроводящим серебросодержащим клеем на кристаллодержатель. При этом тепловое сопротивление прибора составляет R_T » 28°С/Вт. Один из электрических потенциалов находится на корпусе прибора.

При последовательном соединении кристаллы монтируются на металлизированную теплопроводящую керамику, установленную на ножке КТ-2. При этом R_T светодиода составляет ~40°С/Вт. Электрическая цепь изолирована от корпуса.

Рис. 1. Конструкция светодиода:
1 - кристаллы; 2 - отражатель; 3 - теплопроводная керамическая пластина; 4 - кристаллодержатель; 5 - поимерная полисферическая линза

Отражатель бокового излучения и полусферическая полимерная (n = 1,55) линза диаметра 7,5 мм (рис. 1) путём изменения соотношения S/R (S — расстояние от вершины линзы до кристаллов, R — радиус линзы) обеспечивают два варианта угла излучения: 35°± 5° и 55°± 5° (рис. 2).

Рис . 2. Типичная диашрамма направленности излучения светодиодов У-266 и У-267 с углом излучения 35° ± 5(1) и 55° ± 5(2), ИК-диодов У-192 (3)

Таблица 1. Оптические и электрические характеристики светодиодов из GaInAIP/GaAs типов У-266 и У-267

Примечание: значение силы света приведены для номинального режима работы приборов.

Номинальный режим работы светодиода с параллельным соединением кристаллов (тип У-266): I_пр = 250 мА, U_пр » 2...2,2 В, светодиода с последовательным соединением кристаллов (тип У-267): I_пр = 60 мА, U_пр » 8,5...9,0 В. Примерное значение плотности тока через p-n структуру — 90 А/см2. Разработанные светодиоды характеризуются высокими оптическими параметрами (табл. 1).

Мощность излучения приборов У-266 и У267 составляет ~ 30–35 мВт (l_max » 630 нм) и ~ 7–10 мВт (l_max = 590 и 575 нм). КПД приборов, соответственно, ~ 7% и 1,8%.

Высокая мощность излучения в красной области спектра может быть получена также при использовании многопроходных двойных гетероструктур (МДГС) в системе GaAlAs (табл. 2). Типичный КПД этих приборов составляет ~ 7,5%.

Таблица 2. Оптические и электрические характеристики светодиодов из GaAIAs типов У-266Ф и У-267А

Сила света светодиодов У-266А и У-267А составляет J_v = 3...5 кд. Полуширина спектральной полосы излучения светодиодов из GaInAlP/GaAs составляет Dl_0,5 » 12...13 нм (жёлтое и жёлто-зелёное свечение), ~ 17 нм (красное свечение), светодиодов из GaAlAs — Dl_0,5 » 22 нм.

Время нарастания и спада импульса излучения по уровням 0,1–0,9 — не более 30 нс.

Световой поток излучения вышеприведённых светодиодов из GaInAlP/GaAs составляет 5,5...7,0 лм для приборов с красным свечением (max = 630 нм) и 4,0...5,5 лм для приборов с жёлтым и жёлто-зелёным свечением (l_max = 592 и 575 нм, соответственно). Световой поток излучения светодиодов из GaAlAs составляет 1,5...1,8 лм. Эти величины светового потока значительно превышают значения для стандартных светодиодов (0,5...1 лм при I_пр » 40 мА).

Отклонение от линейности зависимости светового потока от прямого тока не превышает 15...20% в диапазоне токов 150–250 мА.

Излучающие диоды инфракрасного диапазона с повышенной мощностью излучения

В конструкции ИК-диода с повышенной мощностью излучения используется один излучающий кристалл увеличенной площадью 0,42 мм² на основе МДГС в системе GaAlAs. Кристалл монтируется токопроводящим клеем на ножке КТ-2 с наваренной медной пластиной. Тепловое сопротивление прибора составляет RT » 28°С/Вт, что позволяет повысить прямой ток до 400 мА (плотность тока ~ 140 А/см²) без деградации параметров в процессе работы. Повышение мощности излучения достигается также благодаря применению глубокого отражателя бокового излучения, согласованного с полимерной полусферической линзой диаметром 7,5 мм.

Разработанные приборы характеризуются высокими значениями мощности и силы излучения (табл. 3), КПД составляет 12...20%.

Таблица 3. Фотометрические и электрические характеристики излучающих диодов типа У-192

Отклонение от линейности зависимости Р_е = f (I_пр) не превышает 10%. Угол излучения приборов У-192 2Q_0,5 » 35° ± 5° (рис. 2). Полуширина спектральной полосы излучения Dl_0,5 » 35 нм (для приборов У-192А и У-192Б) и ~ 50 нм (для прибора У-192В).

Время нарастания и спада импульса излучения (t_н и t_сп) по уровням 0,1–0,9 — не более 30 нс (типичное значение 20 нс) для приборов У-192А и У-192Б и не более 500 нс — для прибора У-192В. Возможно обеспечение быстродействия (t_н и t_сп) не хуже 10 нс без существенного снижения мощности излучения.

Прямое напряжение диодов У-192Б при токе 100 мА составляет 1,32...1,38 В, дифференциальное сопротивление на линейной части прямой ветви составляет r_g » 0,3 Ом. Благодаря этому диод У-192Б может быть эффективно использован в импульсном режиме. Так, при импульсном токе I_пр.и. = 4,0 А прямое напряжение составляет U_пр.и. = 2,6...3,0 В, а импульсная мощность излучения достигает Р_еи = 1...1,5 Вт.

Диапазон рабочих температур приборов У-266, У-267 и У-192 находится в пределах от -40 до +70°С. Светодиоды У-266, У-267 и У-192 должны применяться с радиатором площадью примерно 50 см². Излучающие диоды типа У-192А могут эффективно использоваться в технике ночного видения. Приборы У-192В невидимы для человеческого глаза. При длительной работе в импульсном режиме: I_пр.и. = 4 А, t_и = 0,1 мкс, f = 500 кГц параметры приборов У-192 практически не изменяются.

Многокристальные излучающие диоды инфракрасного диапазона с повышенной мощностью излучения

В целях дальнейшего повышения мощности излучения разработано семейство многокристальных излучающих диодов инфракрасного диапазона. Повышение мощности излучения (по сравнению с данными [1] для ИК-диода типа У-166) обусловлено применением теплопроводящей керамической подложки (вместо окисленного кремния), что позволило повысить её теплопроводность в 5–6 раз, а также резко снизить токи утечки, обусловленные проколами в кремниевом окисле.

Все представленные ИК-диоды содержат по 6 излучающих кристаллов на основе МДГС GaAlAs площадью 0,42 мм2, смонтированных на металлизированной керамической подложке и соединённых последовательно. Свет выводится либо через полусферическую полимерную линзу диаметром от 12,5 до 20 мм, либо через плоскую полимерную поверхность. Угол излучения варьируется изменением соотношения S/R в диапазоне от 1,3 до 2. В ряде конструкций применяется отражатель бокового излучения кристаллов. Все приборы имеют металлический корпус, удобный для установки на радиатор. Корпус приборов электрически изолирован от излучающих кристаллов и выводов, что облегчает групповое использование приборов при соединении их как последо-вательно, так и параллельно. В конструкции большинства приборов предусмотрена установка встроенного резистора, обеспечивающего включение приборов на напряжение 12 ± 0,5 В. При этом прямой ток составляет Iпр = 250 ± 20 мА. В отсутствие резистора прямое напряжение при I_пр = 250 мА не превышает 10 В (типичное значение U_пр = 9,0 В).

Разработанные приборы характеризуются высокой эффективностью: КПД без учёта мощности, выделяемой на резисторе, достигает 20% (табл. 4).

Таблица 4. Фотометрические и электрические характеристики многокристальных ИК-диодов

Отклонение от линейности зависимости мощности излучения многокристальных ИК-диодов от прямого тока не превышает 10%. Максимально допустимый постоянный прямой ток — 270 мА, максимально-допустимый импульсный прямой ток I_пр.и. = 4 А при среднем токе до 0,2 А. Импульсная мощность излучения при I_пр.и. = 4 А достигает 5...7 Вт. Длина волны излучения в максимуме спектральной полосы l_max » 860 нм, полуширина полосы Dl0,5 » 35 нм. Возможно изготовление приборов с l_max = 805 и 920 нм. Время нарастания и спада импульса излучения по уровням 0,1–0,9 — не более 50 нс.

При групповом применении многокристальных ИК-диодов могут быть созданы мощные ИК-прожекторы. Так, например, при использовании 30 ИК-диодов типа У-272А возможно получение постоянной мощности излучения 7,5 Вт при угле излучения 2Q_0,5 » 20°, что позволяет получить дальность видеонаблюдения (при использовании видеокамеры с чувствительностью 0,1 лк) не менее 50 м.

Инфракрасные прожекторы с повышенной мощностью излучения

В связи с разработкой более мощных излучающих диодов инфракрасного диапазона типов У-226 и У-151 созданы более мощные инфракрасные прожекторы в конструкции прибора У-129. Мощность излучения превышает 1,5 Вт (табл. 5).

Таблица 5. Фотометрические и электрические характеристики ИК-прожекторов при Т = 25 ± 10°С

Если мощности одного прожектора недостаточно, то могут быть использованы несколько прожекторов. Например, 4 прожектора могут быть объединены в один с мощностью излучения ~ 6 Вт, что позволит увеличить дальность видеонаблюдения до 40...50 м, так как диаграмма направленности при этом не изменится.

Для более качественного освещения объектов рекомендуется использовать несколько прожекторов, действующих с различных направлений, что позволит избежать теней и бликов.

Литература

1. Коган Л.М. Новые светодиоды и устройства на их основе // Светотехника. — 1997. — № 3. — C. 27–30.
2. High performance AlGaInP visible light-emitting diodes, C.P.Kuo, R.M.Fletcher, T.D.Osentowski e.a. //Appl.Phys.Lett., 1990, 57(27), pp. 2937–2939.

Тел. (095) 269-5555

Проблемы с банком? Предлагаем услуги юриста в страховых спорах.