#8/2003

Светодиоды все еще популярны и продолжают совершенствоваться
Часть 3

Главный редактор - Владимир Крылов
Редактор – Владимир Власов

Ожидаемое время жизни светодиодов

Среднее время наработки на отказ для светодиодов лежит в диапазоне от 100 000 до 1 000 000 часов. Это весьма длительный период при непрерывной работе, принимая во внимание, что в году 8 760 или 8784 часов. При протекании тока через p-n переход светодиода, флуктуации тока создают небольшие разности температур внутри кристалла. Эти разности температур создают напряжение на пространственной решетке. Дефекты пространственной решетки накапливаются с течением времени и снижают эффективность перехода энергии в фотоны, снижая таким образом световой выход. Степень истощения варьируется в зависимости от материала светодиода, температуры и прямого тока.

Синие и белые светодиоды

Существует две технологии получения белого света с помощью светодиодов. Один подход – смонтировать красный, зеленый и синий кристаллы в одном корпусе, как можно ближе друг к другу, и смешать их световые потоки в правильной пропорции для получения белого цвета. Проблемой такого подхода, игнорируя технические проблемы установки корректных уровней световых выходов, является стоимость 3 кристаллов. Тем не менее, трехцветные светодиоды популярны для применения в качестве подсветки LCD дисплеев, так как пользователь может установить подсветку любого оттенка.

Более дешевый подход, пионером которого стала фирма Nichia, основан на включении в синий светодиод люминофора, который поглощает часть синего света и флуоресцирует в широком спектре, достигая белого цвета. Некоторые из таких первых выпущенных белых светодиодов имели заметный синий оттенок, но благодаря последним разработкам их качество стало превосходным и позволяет использовать их в полноцветных PDA и сотовых телефонах.

Последние применения светодиодов

Производство светодиодов быстро изменилось в 80-х годах с появлением высокоэкономичных GaAlAs светодиодов и сверхэкономичных InGaAlP светодиодов (Таблица 2). За короткое время квантовый выход светодиодов достиг нескольких процентов, стали доступны все основные (RGB) цвета и надежность сравнялась с надежностью других дисплейных технологий. Появились светодиоды для поверхностного монтажа: одноцветные (включая белые), двухцветные (обычно красные и зеленые) и трехцветные (рис. 15) и они получили распространение в подсветках для маленьких LCD дисплеев, панелей оборудования и внутренних досках объявлений (экранах и вывесках).

Таблица 2. Развитие светодиодов

Материалы кристаллов	Годы	Комментарии
GaAsP (Фосфид арсенида галлия)	1960-ые	Обычные малоэффективные красные светодиоды полученные по жидкофазной эпитаксии
GaP (Фосфид галлия)	1970-ые	Высокоэффективные красные светодиоды
GaA\|As (Арсенид галлия-алюминия)	1980-ые	На основе одинарных и двойных гетероструктур с эпитаксией из паровой фазы – увеличение эффективности
InGaA\|P (Фосфид индия-галлия-алюминия)	1990-ые	Металлоорганическая эпитаксия из паровой фазы
InGaN (Нитрид индия-галия)	2000-ые	Сверхяркие зеленые и синие светодиоды

Наружные светодиодные экраны и вывески, использующие светодиоды вместо ламп накаливания с цветными фильтрами, используют светодиодные кластеры, где светодиоды сгруппированы близко друг к другу, так чтобы световые потоки объединялись для получения 25 мм (типично) пикселя (рис. 14). Эти светодиодные дисплеи и различные вывески используются в качестве рекламных экранов и дорожных знаков.

Другой быстрорастущий рынок – дорожные светофоры. Светофоры с лампами накаливания потребляют от 75 до 100 Вт, в зависимости от размера (20 или 30 см) и цвета (из-за различной пропускающей способности красного, зеленого и оранжевого фильтров). Светодиодные светофоры потребляют от 7 до 15 Вт и заменяются каждые 5 лет вместо 1 года для ламп накаливания.


Рис. 14 Светодиодный кластерный пиксель для наружных экранов и вывесок	Рис. 15 Светодиоды для поверхностного монтажа (SMD)

Дальнейшие применения светодиодов

Существующие сверхяркие светодиоды практически достигли значений светового выхода, сравнимых со световым выходом ламп накаливания и галогеновых ламп, не говоря уже о сроке службы – срок службы ламп накаливания в лучшем случае несколько тысяч часов. Кроме того, сила света светодиодов может быть уменьшена с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) и других способов. Таким образом, задача дальнейшего развития светодиодов – создать очень яркий белый светодиод, который был бы достаточно экономичным, для использования в бытовых целях. В настоящее время существует потребность в высокоэффективных лампах с большим сроком службы для отелей, предприятий и т.д,, не только из-за стоимости электроэнергии, но и из-за необходимости оплачивать труд, затраченный на замену вышедших из строя ламп.

Сравнение дисплейных технологий

LCD (дисплеи на жидких кристаллах) - Отражающие

Технология – LCD дисплеи используют свойство жидких кристаллов в электрическом поле направлять свет от противоположно поляризованных передних и задних дисплейных пластин. Жидкий кристалл работает как спиральная направляющая (при приложении электрического поля), поворачивая поток света на 90° при его прохождении через пластины.

Преимущества:

небольшие размеры, статические, низкая стоимость для монохромных
и монохромные и цветные панели широко доступны
статические панели имеют минимум потребления
отражающие панели имеют малое потребление
легкость формирования форм сегментов и размеров
привлекательность монохромных панелей с подсветкой

Недостатки:

подсветка увеличивает стоимость и часто сокращает срок службы
требует напряжения переменного тока
хрупки и требуют защиты
ограниченный диапазон рабочих температур (0°С–50°С)
требуют температурной компенсации
ограниченный угол обзора
низкая текучесть жидких кристаллов увеличивает стоимость больших дисплеев (17” и более)

Светодиодные - Излучающие

Технология – Светодиоды – это полупроводники с испусканием фотонов, которые излучают свет благодаря инжектированной электролюминесценции. Длина волны излучаемого света зависит в основном от выбора полупроводниковых материалов и находится в основном в видимом или ИК спектре.

Преимущества:

низкая стоимость красных и зеленых светодиодных индикаторов
выпускаются и очень малых размеров
выпускаются сверхяркие модели (стоимость выше)
красные и зеленые светодиоды работают от 3 В источника питания

Недостатки:

является точечным источником света, требуют формирования сегмента
белые и синие светодиоды дороги и требуют источника питания > 3,6 В
могут иметь малый угол обзора
цвет и эффективность зависят от температуры и прямого тока
требуют замены после 50 000 часов работы

Органические и полимерные светодиодные дисплеи - Излучающие

Технология – Эти дисплеи используют органические электролюминесцентные материалы на стеклянной или гибкой подложке. Светодиоды, использующие в своей работе маленькие молекулы обычно называются OLED (Organic LED), а те что используют большие органические полимерные молекулы обычно называются PLED (Polymer LED). Свет излучается ими благодаря той же инжектированной электролюминесценции, как у светодиодов. Выбор органических материалов определяет цвет излучаемого света. OLED пиксель обладает ёмкостью (от десятков до сотен пикофарад), которая ведет к значительным потерям при переключениях у больших дисплеев с высокими мультиплексными соотношениями.

Преимущества:

умеренная стоимость для небольших (<4”) цветных панелей
больший угол обзора чем у LCD
отклик элемента быстрее чем у LCD
излучающий, в отличии от цветных и монохромных LCD дисплеев
могут выпускаться на гибкой подложке

Недостатки:

рабочее напряжение от 6 до 16 В
различная степень старения ограничивает срок службы
высокое потребление для матричных панелей >128 x 64

Вакуумные флуоресцентные дисплеи (VFD) - Излучающие

Технология - VFD (Vacuum Fluorescent Display) – вакуумная трубка, использующая нити накаливания для генерации термоэлектронов. Решетка (статический дисплей) или несколько решеток (мультиплексный дисплей) управляет(ют) и рассеивают термоэлектроны, которые притягиваются одним или несколькими высоковольтными анодами, покрытыми фосфором. Аноды расположены сзади дисплея, и испускаемый свет проходит через решетку(и) и нити накаливания к передней панели дисплея, и виден наблюдателю. Нити накаливания не настолько раскалены, чтобы быть видимыми.

Преимущества: