2012
Wykład 2
1
DIODY
ELEKTROLUMINESCENCY
JNE - LED
2012
Wykład 2
1
DIODY
ELEKTROLUMINESCENCY
JNE - LED
2012
Wykład 2
2
Historia
• 1907 Odkrycie zjawiska świecenia w kryształach krzemu tzw. zimne
światło
• 1951 Wyjaśnienie tych zjawisk przez fizykę kwantową: „luminescencja „
• 1961 Pierwsza czerwona LED - General Electric Semiconductors Div.
• 1971 Zielone, pomarańczowe i żółte LED-y we wskaźnikach i
sygnalizatorach
• 1988 Wzrost intensywności promieniowania w nowych materiałach
półprzewodnikowych
• 1993 Pierwsza niebieska LED - Nichia
• 1998 Białe LED-y o mocy 0,02 W - zamiana światła niebieskiego w białe
• 2000 LEDy w technologii SMD („Linear Light“), technologia RGB
• 2003 Pierwsza LED o dużej mocy 1,2W / 350mA
• 2009 Moduły oświetleniowe LED o mocy 1-100W / 50-5000 lm
2012
Wykład 2
3
Rozwój diod luminescencyjnych
1960 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
W
yd
a
jn
o
ść
[l
m
/W
]
100
10
1
0,1
Lampa fluoroscencyjna
GaP:ZnO
czerwona
GaAs
0,6
P
0,4
czerwona
GaP:N
zielona
GaAsP:N
cz
-
pom
.-
żółta
AlGaAs/GaAs
czerwona
AlGaAs/AlGaAs
czerwona
AlGaInP/AlGaAs
Czerw.
pom
.-
żółta
Formowane AlGaInP/GaP
Czerw.
pom
.-żółta
AlGaInP/AlGaP
Czerw.
pom
.-
żółta
GaAsP
czerwona
Żarówka bez filtrów
Żarówka przez filtr czerwony
Żarówka przez filtr żółty
SiC
niebieska
LED-
y zie
lone
LED-y niebieskie
LED-
y bia
łe
2012
Wykład 2
4
Przejścia bezpośrednie
• silna emisja w przerwie energetycznej
• większość półprzewodników typu III-V i II-VI
• szerokość linii kT
k
E
E
G
k=0
hv
3,4 3,5 3,6 [eV]
In
te
n
sy
w
n
o
ść
lu
m
in
e
sc
e
n
cj
i
A
b
so
rp
cj
a
GaN
T=4 K
E
G
=3,50 eV
2012
Wykład 2
5
Elektroluminescencja w złączu p-n
1,2 1,4 1,6 1,8 [eV]
E
le
k
tr
o
lu
m
in
e
sc
e
n
cj
a
GaAs
E
G
=1,42 eV
I
D
=1 mA
297 K
•
Emisja przy E
G
• Napięcie pracy E
G
/q
• Szerokość linii kT
E
F
E
C
E
V
E
V
p
n
U
D
n
p
hv
hv
E
G
E
G
hv
qU
D
2012
Wykład 2
6
Rekombinacja promienista
Excess mi nori ty carri ers (p)
pn pn,0 expVdiode
1
N-Type
n large
p small
P-Type
p large
n small
Hol e Current (flow from edge)
J
p
V
diode
J
p,0
expV
diode
1
Hol es flow to
mai ntai n excess
hole densi ty at
edge
Hol e-el ectron
recombi nati on
generati ng
photon
Mi nori ty
Carri ers
p
n,0
Depletion Layer
F
photon,
holes
I
p, diode
q
1
q
I
p,0
exp
qV
diode
kT
1
F
photon,
electrons
I
n, diode
q
1
q
I
n,0
exp
qV
diode
kT
1
F
photon,
total
I
diode
q
1
q
I
0
exp
qV
diode
kT
1
If all of the holes diffusing to the right
from the depletion layer edge recombine
via generation of photons, then the rates
of photon generation due to hole recombination
on the N-type side and due to electron
recombination on the P-type side
(and the total rate of photon generation) are
Such effects lead to efficiency parameters.
Combining all into a single efficiency parameter
F
photon,
holes
LED
I
p,0
q
exp
qV
diode
kT
1
F
photon,
electrons
LED
I
n,0
q
exp
qV
diode
kT
1
F
photon,
total
LED
I
0
q
exp
qV
diode
kT
1
2012
Wykład 2
7
Charakterystyki stałoprądowe
1,0 1,5 [V]
T=25
o
C
[mA]
200
150
150
100
50
[mA]
200
W T=300 K:
a) Ge: E
G
=0,7 eV
b) Si: E
G
=1,1 eV
c) GaAs E
G
=1,4 eV
d) GaAsP E
G
=2,0 eV
e) GaInN E
G
=2,9 eV
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [V]
a) b) c) d) e)
2012
Wykład 2
8
Kolory, długości fal optycznych i
napięcia
Kolor Długość fali Częstotliwość Typowe
[m] [Hz] napięcie U
F
[V]
Ultrafiolet 0,005--0,39 6.10
16
--7,59.10
14
>4,0
Fioletowy 0,40--0,45 7,5--6,6.10
14
>4,0
Niebieski 0,45--0,50 6,6--6,0.10
14
3,0--4,0
Zielony 0,50--0,57 6,0--5,27.10
14
1,8-2,2
Żółty 0,57--0,59 5,27--5,01.10
14
2,0--2,1
Pomarańczowy 0,59--0,61 5,01--4,92.10
14
1,9--2,65
Czerwony 0,61--0,70 4,92--4,28.10
14
1,6--2,25
Podczerwony 0,70--20 4,28.10
14
--1,5.10
13
1,2--1,5
2012
Wykład 2
9
Luminancja w funkcji prądu diody
100 200 300 [mA]
12
8
4
0
L [mW]
2012
Wykład 2
10
Dynamika diody przy modulacji
zasilania
u
WY
0,9
0,1
rise
u
WE
U
0
t
t
t
t
t
1,0
0,5
0,0
10%
00%
00%
10%
rise
=
90%
-
10%
i
WE
I
0
t
P
WY
0,9
0,1
rise
t
P
0
rfall
=
10%
-
90%
1
2
R
C
hv
2012
Wykład 2
11
Emisja laserowa w złączu p-n
2012
Wykład 2
12
Złącze p-n ze studniami
kwantowymi
2012
Wykład 2
13
Parametry optyczne
Efektywność wewnętrzna:
in
in
P
h
I
q
Efektywność zewnętrzna:
out
in ex
P
h
I
q
2012
Wykład 2
14
Widmo emisyjne
hv
2
hv
1
E
G
E
C
E
V
2 2
2
C
e
k
E E
m
h
2 2
2
V
h
k
E E
m
h
E
G
E
G
+kT/2 Energia
In
te
n
sy
w
n
o
ść
l
u
m
in
a
cj
i
FWHM = 1,8 kT
teoretyczne widmo
emisyjne
C
G
N
E E
Rozkład
Boltzmanna
2012
Wykład 2
15
Efekt elektroluminescencji w złączu
p-n
24
20
16
12
8
4
10
0
10
1
10
2
10
3
Prąd przewodzenia [mA]
Z
e
w
.
E
fe
k
ty
w
n
o
ść
k
w
a
n
to
w
a
[
%
]
LUXEON I
d
530 nm
T = 25
o
C
chip 1x1 mm
2
Luxeon I
Luxeon I
Luxeon III
Luxeon K2
2012
Wykład 2
16
Diagram chromatyczny CIE
Kolory monochromatyczne
są rozmieszczone na obrzeżach
diagramu, a światło białe jest
zlokalizowane wewnątrz
2012
Wykład 2
17
Temperatura koloru
2012
Wykład 2
18
Barwy LED-ów
InGaN/GaN
Zielone:
V=VerdeGreen
505 nm
T= TrueGreen (InGaN)
525 nm
P= PureGreen (InGaNP)
560 nm
G=Green (InGaAlP)
570 nm
Niebieskie
B= Blue (InGaN) 470 nm
B= Blue (GaN) 466 nm
InGaAlP
Żółte
Y= Yellow (InGaAlP) 587 nm
Białe
W=White (GaN) (x=0,32/y=0,31
W= White (inGaN) (x=0,32/y=0,31)
Pomarańczowe
O= Orange(InGaAlP) 605 nm
Pomarańcz. - czerwone
A= Orange-red
(InGaAlP) 617 nm
Czerwone
R= Super Red (InGaAlP) 630 nm
H= High Red (GaAlAs) 645 nm
2012
Wykład 2
19
Wpływ temperatury na luminację
500
400
300
200
100
80
60
40
30
20
R
e
la
ti
ve
l
u
m
in
o
u
s
in
te
n
si
ty
[
a
rb
.
U
n
it
s]
-20 0 20 40 60 80 100
o
C
Ambient temperature
o
C
T
L
=295 K
GaInN-GaN
green LEDs (525 nm)
T
L
=1600 K
GaInN-GaN
blue LEDs (470 nm)
T
L
=95 K
AlGaInP-GaAs
red LEDs (625 nm)
I
L
=I
L0
exp(-T /T
L
)
Slope = -1/T
L
2012
Wykład 2
20
Seoul Semiconductor, Ltd
Diody LED dużej mocy
jako źródła światła
T
h
e
rm
a
l
R
e
si
st
a
n
ce
[
K
/W
]
250
100
150
50
200
1993 1995 1997 1999 2001 2003
75 K/W
15 K/W 8 K/W
<5 K/W
250 K/W
125 K/W
2012
Wykład 2
21
Konstrukcja montażowa diody
świetlnej
2012
Wykład 2
22
Przekrój przez świetlną diodę
2012
Wykład 2
23
LED Package
2012
Wykład 2
24
LED Package
LED
die
Die attach
Heat sink
(and
mirror)
Solder
Dielectric
layer
Cu
baseplate
Glue
External heat sink
(radiator)
M
e
ta
l-
co
re
P
C
B
2012
Wykład 2
25
Konstrukcje specjalne HP-LEDów
2012
Wykład 2
26
Seoul Semiconductor, Ltd
….They just keep it to
themselves
LRC
2012
Wykład 2
27
Trendy w białych diodach
2012
Wykład 2
28
Trzy sposoby jak uzyskać białe
światło z LED:
1. UV-LED+ fosfor RGB 2. Binarna komplem. 3. Złożenie widma
2012
Wykład 2
29
Białe LED-y
2012
Wykład 2
30
Widmo absorpcyjne i emisyjne
fosforu
2012
Wykład 2
31
Widmo absorpcyjne i emisyjne
kumarynu C-6
2012
Wykład 2
32
Zasada działania białej diody
2012
Wykład 2
33
Biała dioda z recyklingiem fotonów:
PRS-LED
Kontakt
typu p
Kontakt
typu n
Wtórne
źródło
AlGaInP
Podłoże
szafirowe
Pierwotne
źródło
GaInN-GaN
LED
Niebieskie
światło
Żółte
światło
2012
Wykład 2
34
Wielochipowe LED-y białe
6
5
4
1
2
3
2012
Wykład 2
35
Luminescencja a temperatura złącza
Amber
Blue
Green
White
Red
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120
o
C
200%
150%
100%
50%
0%
R
e
la
ti
ve
L
ig
h
t
O
u
tp
u
t
T
yp
ic
a
l
A
p
p
li
ca
ti
o
n
T
e
m
p
e
ra
tu
re
s
Junction Temperature
25
o
C Rating
Temperature
2012
Wykład 2
36
Czas życia diody dla różnych
temperatur pracy
100%
90%
80%
70%
60%
50%
1000
10 000
100 000 h
T =60
o
C
T =75
o
C
S
p
ra
w
n
o
ść
l
u
m
in
a
cj
i
Czas pracy
2012
Wykład 2
37
Czas życia w funkcji temperatury
złącza i prądu diody
Wg Understanding power LED lifetime analysis- Technology White Paper - PHILIPS
40k
70k
60k
50k
L
if
e
ti
m
e
[
h
r]
20k
10k
0
9 0 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Junction Temperature [
o
C]
1 A
0,7 A
0,35 A
30k
1,5 A
2012
Wykład 2
38
SSL-LED czyli Solid-State-Lighting
LEDy
- postęp w technice oświetlenia
2012
Wykład 2
39
Postęp w technologii HP-LED
Projekt
struktury złączowej
Epitaksja
i materiały
Obudowa
Parametry
wymagające
poprawy
Niezawodność
Procesor w LEDzie: rozkład światła białego
Odprowadzenie ciepła
•Efektywność ekstrakcji promieniowania
•Praca przy dużych prądach
•Niskie napięcie pracy
Kwantowa efektywność wewnętrzna (IQE)
2012
Wykład 2
40
2012
Wykład 2
41
Czas pracy różnych źródeł światła
białego
2012
Wykład 2
42
85-90
%
41 %
42 %
19.2 %
Ciepło
(Przewodnictwo i
konwekcja)
100 %
100 %
100 %
100 %
Razem
10-15 %
63 %
58 %
80.8 %
Całkowita energia
promieniowania
~ 0 %
17 %
37 %
73.3 %
Podczerwień
19 %
27 %
Halogen
0 %
0 %
0 %
Ultrafilet
10-15 %
21 %
7.5 %
Światło widzialne
LED
Jarzeniówka
†
Żarówka
†
†
IESNA Lighting Handbook – 9
th
Ed.
‡
Osram Sylvania
Przemiany energii elektrycznej w
źródłach światła
2012
Wykład 2
43
Konwersja mocy dla typowych
źródeł światła białego
Żarówka Jarzeniówka Halogen LED - biała
100 W (w pracy ciągłej)
Światło widzialne 5% 21% 27% 15-30%
Podczerwień (IR) 83% 37% 17% 0%
Ultrafiolet (UV) 0% 0% 19% 0%
Całkowita
energia prom. 88% 58% 63% 15-30%
Ciepło 12% 42% 37% 70-85%
Razem 100% 100% 100% 100%
2012
Wykład 2
44
Problemy cieplne LED-ów
Tj = Ta + ( Rth b-a x Ptotal ) + ( Rth j-sp x PLED )
Tj = LED junction temperature
Ta = Ambient temperature
Rth b-a = Heat sink thermal resistance
PLED = Single LED power consumption
= (Operating current) x (Typical Vf @ Operating current)
Ptotal = Total power consumption = (# LEDs) x PLED
Rth j-sp = LED package thermal resistance
Example luminaire values:
Tj MAX = 80°C
Rth b-a = 0.47°C/W
PLED = 0.35 A x 3.3 V = 1.155 W
Ptotal = 16 x 1.155 W = 18.48 W
Rth j-sp = 8°C/W
Ta MAX = Tj MAX – ( Rth b-a x Ptotal ) – ( Rth j-sp x PLED )
Ta MAX = 80°C – ( 0.47°C/W x 18.48 W ) – ( 8°C/W x 1.155 W )
Ta MAX = 80°C – 8.6856°C – 9.24°C
Ta MAX = 62°C
A maximum ambient temperature of 62°C for the example luminaire is acceptable for this indoor
application. For an operating environment needing higher maximum ambient temperature,
either the maximum junction temperature should be raised (which may impact lifetime) or the
thermal system (Rth b-a) improved (e.g., better heat sink).
2012
Wykład 2
SSL/LED Performance Standards/Test
Methods – ANSI/IESNA
– ANSI C82.XX1 Power Supply (First Draft)
– IESNA RP-16 Nomenclature/Definitions for
Illuminating Engineers (In Draft)
– IESNA LM-80 Life-testing (Draft by 11/2)
– IESNA LM-79 Electrical and Photometric
Measurements (Final Draft)
– ANSI C78.XX1 Specification for
Chromaticity of White SSL Products (In
Draft)
Standardy i metody testowania
2012
Wykład 2
46
BHP z LEDami
