Курсовая работа: Расчет и проектирование светодиода
1.2.1 Арсенид галлия
Полупроводниковые светоизлучающие диоды изготавливают в
настоящее время на основе бинарных и нтерметаллических соединений типа AIIIBV и многокомпонентных твердых
растворов этих соединений. В данной главе будут кратко рассмотрены основные
электрофизические свойства наиболее широко применяемых в производстве
ветоизлучающих диодов полупроводниковых соединений –GaAs и GaP.
Большое внимание к GaAs в начальный период исследования
соединений типа АIIIВV было связано с представлением о том,
что На основе GaAs возможно создание высокочастотных и высокотемпературных
транзисторов, так как подвижность электронов в нем значительно выше, а их
эффективная масса почти на порядок меньшие, чем в Ge.
Однако эти ожидания не оправдались, так как время жизни носителей в GaAs
оказалось весьма малым.
Первые важные области применения GaAs были связаны с
использованием его для производства туннельных диодов. Значительную и все
возрастающую роль GaAs играет в производстве фотопреобразователей солнечной
энергии в электрическую.
Наиболее массовое применение GaAs нашел в производстве
диодных источников спонтанного и когерентного излучений. На основе GaAs созданы
высокоэффективные излучающие диоды инфракрасного диапазона, находящие
разнообразные применения в оптоэлектронике. Широкое применение в производстве
светоизлучающих диодов, знаковых индикаторов, лазеров и ИК диодов находят
твердые растворы GaAs с GaP и AlAs.
Основной промышленный метод получения GaAs
- метод Чохральского. Значительное распространение находит также горизонтальная
направленная кристаллизация по методу Бриджмена. Монокристаллы GaAs по
параметрам распределяются на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются
Те, Sn или ничем не легируются, монокристаллы р-типа
легируются Zn [1].
Содержание посторонних примесей в GaAs n- и р-типов не превышает (% по
массе): 1·10-5% Cu; 6·10-5% Со; 1·10-4% Fe; 5·10-6% Mn; 5·10-5% Cr; 2·10-5% Ni.
1.2.2 Фосфид галлия
GaP, так же как и GaAs, кристаллизуется в структуре цинковой
обманки с ребром элементарной кубической ячейки 5,4506 А. Кратчайшее расстояние
между центрами ядер элементов решетки GaP равно 2,36 А, что составляет сумму
атомных радиусов Р (1,1 А) и Ga (1,26 А).
Промышленное получение монокристаллического GaP осуществляется
в две стадии: синтез-получение крупных поликристаллических слитков и
выращивание монокристаллов по методу Чохральского из расплава, находящегося под
слоем флюса. Монокристаллы GaP по параметрам делятся на несколько марок.
Монокристаллы n-типа легируются Те или S или ничем не
легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn, монокристаллы высокоомного GaP
легируются хромом или другими примесями с глубокой энергией залегания. Следует
отметить, что в связи с условиями выращивания (высокая температура, высокое
противодавление Р, наличие флюса, отсутствие стойких контейнерных материалов)
монокристаллы GaP характеризуются высоким уровнем неконтролируемых фоновых
примесей (примерно 5·1016-1·1017 см-3), а
также высокой плотностью дислокации (более 104 см-2).
Поэтому монокристаллы GaP не обладают пригодной для практики люминесценцией и
для получения светоизлучающих р-n-переходов необходимо
выращивать эпитаксиальные слои GaP.
2 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕТОДИОДА
2.1 Основные параметры светодиода
Uгас. –
напряжение гасящее;
Uпит. –
напряжение питания;
Uсв. – напряжение
светодиода;
Iсв. – ток
светодиода ;
Rсв. – нагрузочный резистор
светодиода;
Есв. – эффективность светодиода;
F – световой поток;
Р – мощность;
Ω – телесный угол;
α – угол наблюдения;
I – сила
света.
2.2 Расчет светодиода
Исходные данные:
Ток светодиода – 20 mA;
напряжение сети – 9 В;
напряжение светодиода – 3,6 В;
угол наблюдения – 15°;
сила света – 6,4 кд
2.2.1 Расчет эффективности светодиода
Эффективность
E светодиодов (далее СИД) определяется отношением светового потока F,
производимого СИД к «закачанной» в него мощности P. Это общая эффективность,
включающая в себя энергетическую эффективность самого СИД, зависящую от физики
работы, материала и конструкции СИД и световую эффективность зрения для спектра
излучения данного СИД. Общая эффективность измеряется в люменах (лм) на ватт
(Вт):
E=F/P, лм/Вт (2.1)
Но, так как
производители указывают, как правило, в качестве основного светотехнического
параметра СИД силу света I, измеряемую в канделах, то нужно пересчитать канделы
в люмены. Сила света определяет пространственную плотность (интенсивность)
светового потока (luminous intensity):
I=F/Ω,
лм/ср (2.2)
где Ω –
телесный угол, измеряемый в стерадианах (ср).
2.2.2
Расчет телесного угла
Для того
чтобы ознакомиться с понятием телесного угла, придется совершить краткий
экскурс в стереометрию. Площадь поверхности шара радиусом R составляет 4πR2.
Если выделить на поверхности шара область площадью R2, то мы получим
конус с пространственным углом как раз в один стерадиан. Запомним, что полная
площадь поверхности шара составляет 4π стерадиан. Полезно знать, что
телесный угол Ω связан с плоским углом α соотношением:
Ω=2π(1-cosα/2),
ср (2.3)
Тогда α(1ср)=65°32',
α(πср)=120°, α(2πср)=180°, α(4πср)=360°. Угол α
это и есть угол, приводимый изготовителями панели как угол наблюдения или угол
излучения (viewing angle или radiation angle), определяемый по спаду силы света
на 50%.
2.2.3
Примерный расчет
эффективности
Теперь, зная
приводимый изготовителями угол наблюдения, можно приблизительно определить
световой поток СИД: F=IΩ.
Для примера
возьмем белый светодиод NSPL500S (Nichia) с углом наблюдения α1=15°. Тогда
телесный угол, рассчитанный по формуле (2.3):
Ω=2π(1-cosα/2)=2*3,14(1-cos15/2)=0.0538
Сила света
этого СИД 6.4 кд. Значит световой поток, рассчитанный по (2.2) составит:
I=F/Ω, →F=I Ω= 6.4*0,0538=,0344лм.
F1=0.344
лм.
Прямое падение
напряжения на СИД составляет 3.6 В при токе 20 mА. Следовательно, «закачиваемая» в СИД мощность составит:
P=U*I=3.6B*20mA=0.072Вт
а
эффективность, в соответствии с (2.1) составит:
E1= F/P =0.344лм /0.072Вт=4.78 лм/Вт.
2.2.4
Уточненный расчет
эффективности
Более точно
телесный угол можно определить по диаграмме излучения, обычно приводимой
изготовителями в полярных или декартовых координатах. Для СИД NSPL500S
диаграмма выглядит так:
Рисунок 2.1
Диаграмма излучения
Когда мы
рассчитываем телесный угол по углу наблюдения, то предполагаем, что излучение
сосредоточено в прямоугольнике шириной 15 градусов, высотой единица и площадью
S1=15 условных единиц (прямоугольник с зеленой штриховкой). Но если рассчитать
площадь под кривой диаграммы направленности (сосчитать интеграл), то она
составит S2=17.5 условных единиц (на графике показан равный по площади
прямоугольник с красной штриховкой). Это эффективный угол наблюдения.
Следовательно, для более точного расчета нужно использовать угол α2=17.5°.
Тогда:
Ω=2π(1-cosα/2)=2*3,14(1-cos17,5/2)=0.0731;
I=F/Ω, →F=I Ω= 6.4.*0,0731=0,47лм;
E2= F/P =0.47лм /0.072Вт=6.5 лм/Вт.
Ω2=0.0731,
F2=0.47 лм, E2=6.5 лм/вт.
2.2.5
Расчет составляющих эффективности
Общая
эффективность светоизлучающего прибора Е определяется двумя составляющими:
энергетической эффективностью прибора Ee и световой эффективностью Ev.
Первая
составляющая. Энергетическая эффективность Ее - это отношение выходной
оптической к входной электрической мощности. В англоязычной литературе для
энергетической эффективности принято сокращение WPE (Wall-Plug-Efficiency). На
рисунке показаны энергетические потери в светодиоде.
Рисунок 2.2
Схема энергетических потерь в светодиоде.
Вторая
составляющая - это световая эффективность Ev. Слово «свет» предполагает
наблюдателя – человека. Спектр зрения человека ограничен диапазоном длин волн
от 380 до 780 нм. Вне пределов этого диапазона слово «свет» неприменимо (хотя и
употребляется, например инфракрасный или ультрафиолетовый свет вместо
излучение). Мало того, чувствительность зрения к различным длинам волн различна
и определяется т.н. кривой видности V(λ).
Светодиод
излучает не на одной длине волны, а в некотором промежутке длин волн.
Интенсивность распределения оптической мощности в пределах этого промежутка
описывается кривой, называемой энергетическим (или оптическим) спектром
излучения Fe(λ). Оптическая мощность определяется площадью под кривой
спектра и измеряется в ваттах. Для расчета световой мощности нужно перейти от
энергетических величин (ватт) к световым (люменам), для чего необходимо
перемножить энергетический спектр Fe(λ) на кривую видности – V(λ)
(для выполнения данной операции используем приложение Microsoft Office – Excel
):
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 |