PDFs

Новости

Литература

Схемы

Форум

Блоги

Реклама

Читать @chipinforu
Мне нравится

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 вертолетных 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 ее надежность 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) путем 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

Тип прибора	Цвет свечения, lmax, нм	Сила света, JV, кд		Угол излучения, 2Q0,5, град
		не менее	типичная
У-266Б У-267Б	красный 630 ± 5	10,0	12,0	35 ± 5
У-266Д У-267Д	желтый 592 ± 3	6,0	8,0	35 ± 5
У-266Г У-267Г	желто-зеленый 575 ± 3	6,0	8,0	35 ± 5
У-266Б-1 У-267Б-1	красный 630 ± 5	6,0	8,0	55 ± 5
У-266Д-1 У-267Д-1	желтый 592 ± 3	3,5	5,0	55 ± 5
У-266Г-1 У-267Г-1	желто-зеленый 575 ± 3	3,5	5,0	55 ± 5

    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

Тип прибора	Цвет свечения, lmax, нм	Входные параметры		Мощность излучения, Ре, мВт			Угол излучения, 2q0,5, град
		Iпр, мА	Uпр, В, не более	не менее	типичная	макс
У-266А	красный, 660+10-20	200	2,3	25,0	30,0	35,0	35 ± 5
У-267А	красный, 660+10-20	50	9,0	25,0	30,0	35,0	35 ± 5

    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 (желтое и желто-зеленое 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 вышеприведенных 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 желтым и желто-зеленым 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

Тип ИК-диода	Ре, мВт, при Iпр=400 мА			Сила излучения, Je, мВт/ср		lmax, нм	Uпр, В, при Iпр=400 мА
	не менее	типичная	макс	типичная	макс		типичное	не более
У-192А	80,0	100,0	120,0	300	400	805 ± 10	1,8	2,5
У-192Б	75,0	100,0	120,0	350	450	860 ± 20	1,5	2,0
У-192В	70,0	80,0	100,0	250	350	920 ± 10	1,5	2,0

    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 ее 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 соединенных 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 учета мощности, выделяемой на резисторе, достигает 20% (табл. 4).

Таблица 4. Фотометрические и электрические характеристики многокристальных ИК-диодов

Тип прибора	Ре, мВт, при Iпр=250 мА		2Q0,5, град
	не менее	типичная
У-166А	220	250	150 ± 20
У-166Б	310	370	35 ± 10
У-272А	220	260	20 ± 5
У-272Б	310	370	40 ± 10
У-272В	310	370	120 ± 20
У-274	170	200	150 ± 20
У-276	170	200	150 ± 20

    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

Наименование параметра, единица измерения, режим измерения	Типы приборов
	У-129Б	У-129Г
Напряжение питания постоянного тока, Uпр, В	12 ± 0,5
Потребляемый ток, Iпр, А	0,7...1,1
Мощность излучения, Ре, Вт	1,7 ± 0,1	1,5 ± 0,1
Длина волны в максимуме спектральной полосы излучения, lmax, нм	870 ± 10	870 ± 10
Угол излучения, 2q0,5, град	40	15
Дальность видеонаблюдения при чувствительности телекамеры не хуже 0,1 лк, м	20	25

    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

RikBlums пишет... Если вы желаете быстро и недорого обзавестись качественным жильём то наша компания это как раз то что вы ищете. Прежде всего строительство дома приобретают всё большее признание благодаря своей доступности. Наше предприятие применяет исключительно передовые технологии позволяющие значительно сэкономить. 27/07/2024 22:49:43

Terrie пишет... Ветошь: секреты производства и применения ветошь купить спб 18/09/2024 10:49:10

Michal пишет... Строительство загородных домов под ключ - это процесс возведения дома с нуля до полной готовности, включая все этапы проектирования, строительства и отделки, без участия заказчика. стоимость 1 м3 кладки в спб 19/09/2024 22:55:38