Исследование характеристик светодиодных источников света при питании импульсным током тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.07, кандидат технических наук Мышонков, Александр Борисович

• Мышонков, Александр Борисович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мышонков, Александр Борисович

Содержание

Список сокращений и обозначений

Введение

1 Аналитический обзор публикаций

1.1 Конструкция и механизм генерации излучения светодиодов

1.1.1 Механизм протекания тока и генерации излучения в светодиодной структуре, электрические параметры светодиодов

1.1.2 Конструкция светоизлучающего кристалла

1.1.3 Конструкция и параметры светодиодов

1.1.4 Тепловая модель свето диода

1.2 Температурные зависимости работы светодиодов

1.2.1 Температурные зависимости эффективности люминесценции и электрических параметров

1.2.2 Влияние температуры на спектральные характеристики

1.3 Излучение полупроводниковых источников в импульсном режиме

1.3.1 Разогрев кристалла в импульсном режиме

1.3.2 Особенности восприятия импульсного излучения

1.3.3 Управление силой света светодиодов

1.3.4 Схемы питания светодиодов

1.4 Параметры люминофоров, применяемых в светодиодных источниках света

1.5 Выводы по разделу и постановка задач

2 Моделирование тепловых процессов

2.1 Характеристики импульсного тока

2.2 Математическая модель нагрева кристалла при импульсном режиме работы

2.3 Измерение температуры активной области кристалла свето диода

2.3.1 Обоснование выбора методики измерения температуры кристалла свето диода

2.3.2 Методика эксперимента

2.3.3 Результаты исследования динамики разогрева и остывания кристалла

2.3.4 Аппроксимация кривых разогрева и остывания кристалла светодиода

2.3.5 Исследование зависимости температуры кристалла от скважности тока

2.3.6 Исследование зависимости температуры кристалла светодиода от частоты протекающего тока 73 2.4 Заключение по главе

3 Экспериментальные исследования светотехнических характеристик светодиодов при импульсном режиме работы

3.1 Фотометрия светодиодов

3.2 Исследования спектральных характеристик излучения при различной температуре светодиода

3.2.1 Методика измерений

3.2.2 Результаты измерений спектральных характеристик светодиодов при изменении температуры

3.3 Исследование спектральных характеристик светодиодов в зависимости от режима питания

3.4 Исследование цветовых характеристик светодиодов при питании импульсным током

3.5 Заключение по главе

4 Практическое применение 91 4.1 Пешеходный светодиодный светофор 91 4.1.1 Конструкция

4.1.2 Схема управления

4.2 Проектор с импульсным режимом работы

4.3 Методика контроля температуры кристаллов светодиодов при разработке световых приборов на их основе 103 Основные результаты и выводы 108 Список использованных источников

Список сокращений и обозначений

Сокращения СД - светодиод;

КПД - коэффициент полезного действия;

КЯ - квантовая яма;

ВАХ - вольт-амперная характеристика;

ТТТИМ - широтно-импульсная модуляция;

ПК - персональный компьютер;

КЦТ - коррелированная цветовая температура.

Обозначения Латинские Т - температура;

7} - температура /?-и-перехода; Та - температура окружающей среды;

ЛТ]а - температурный перепад на тепловом сопротивлении между

кристаллом СД и окружающей средой; Л Тхр - температурный перепад на тепловом контакте подложка -

монтажное основание АТ^а - температурный перепад на тепловом сопротивлении катодного вывода

Токр - температура окружающей среды;

,1,.т - пиковая сила света;

<2 - скважность.

Г - частота импульсов тока;

1т - амплитуда импульса тока;

/ - мгновенное значение тока;

¿п - длительность паузы между импульсами тока;

¿и - длительность импульса тока;

1п - время начала «-го импульса;

V - Действующее напряжение импульса (среднеквадратичное

значение напряжения)

ит - максимальное значение напряжения импульса;

11сд - напряжение на светодиоде;

и - мгновенное значение напряжения импульса;

К3 - коэффициент заполнения;

1т - максимальный ток импульса (амплитуда тока);

I - действующий ток импульса (среднеквадратичное значение тока);

р - мгновенная мощность импульса;

Ра - активная мощность импульса;

Р - электрическая мощность, подводимая к кристаллу;

/у - сила света;

1Ш1 - пиковая сила света;

Фе - энергетический поток излучения;

Рг - мощность, отводимая путем теплопроводности;

Ст - теплоемкость;

Т - время;

к,Ь - коэффициенты калибровки светодиодов;

ССТ - коррелированная цветовая температура;

Греческие 0 - тепловое сопротивление; X ~ коэффициент теплопроводности;

Х]-.чР - теплопроводность между кристаллом и монтажным основанием;

Фмр ™ тепловое сопротивление подложки;

&аР - тепловое сопротивление теплового контакта подложка - монтажное основание

- тепловое сопротивление катодного вывода;

@7 - тепловое сопротивление /з-и-перехода;

@]а - тепловое сопротивление между кристаллом светодиода и окружающей средой;

г}^ - энергетическая эффективность излучения светодиода;

тс - период следования импульсов

Хт - длина волны максимума спектра излучения;

Ха - доминантная длина волны излучения люминофора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик светодиодных источников света при питании импульсным током»

Введение

Первые коммерческие светодиоды (СД) красного цвета на основе GaAsP/GaAs были изготовлены в 1968 г. и имели световую отдачу 0,2 лм/Вт. Данные светодиоды применялись в маломощных сигнальных устройствах. В 1970 г., была представлена система на основе GaP с удвоенной световой отдачей (0,4 лм/Вт). Через 15 лет было достигнута величина 4 лм/Вт, и в начале 90-х AlInGaP и AlInGaAs сплавы стали основанием для производства СД с излучением в зеленой и красной части спектра со световой отдачей до 10 лм/Вт. Но такая сравнительно высокая световая отдача была достигнута только для СД с излучением в желто-красной части спектра и стремительно снижалась в желто-зеленой части [1]. В конце 1993 г. были созданы сверхяр-кие синие СД на основе нитрида галлия (GaN) со световой отдачей до 10 лм/Вт. Тогда же были представлены зеленые СД на основе GaN со световой отдачей 20 лм/Вт. Первые светодиоды синего и зеленого диапазонов спектра, разработанные на фирме Nichia Chemical Industry, содержали одну квантовую яму, куда осуществлялась инжекция носителей заряда [2]. Поиски оптимальных структурно-технологических параметров привели к созданию светодиодных структур с 4-5-ю квантовыми ямами, которые в свою очередь различаются по характеру легирования барьеров по краям квантовых ям.

К настоящему времени за счет оптимизации технологических процессов и конструктивных элементов светодиодов достигнуты следующие значения световой отдачи. Для светодиода с кристаллом площадью 1 мм2 при токе питания 350 мА, значение светового потока 155 лм, световая отдача 136 лм/Вт. При этом, на токе 1,4 А можно получить световой поток до 500 лм, но при снижении световой отдачи [3]. Также существуют конструкции светодиодов, в которых совмещены несколько кристаллов светодиодов, их световой поток превышает 1000 лм, но световая отдача значительно ниже. У лабораторных образцов светодиодов световая отдача достигает 208 лм/Вт [4].

Светоизлучающие устройства на СД работают на постоянном токе и низком напряжении, следовательно, легко управляемы с помощью систем регулирования освещения. Допускается использование режимов смешения, отключения, пульсирующего режима без негативного влияния на работу СД [5]. На этом основан принцип работы ряда драйверов - устройств стабилизации тока и управления яркостью светодиодных источников света [6]. В них используется широтно-импульсная модуляция - питание импульсным током с переменной скважностью. Это позволяет добиться изменения яркости свечения (за счет инерционности процессов восприятия излучения человеческим глазом) при постоянном амплитудном значении тока. Данные устройства работают на частотах превышающих критическую частоту мельканий (от килогерц до сотен мегагерц). КПД таких устройств составляет 85-95 %.

Современные исследования светодиодов направлены на увеличение мощности и квантового выхода, на увеличение световой эффективности диода и люминофора, а также на снижение стоимости готового СД [7]. Основная проблема при создании светодиодов с высоким световым потоком заключается в эффективности преобразования электрического тока в оптическое излучение. Увеличение рабочего тока с целью увеличить световой поток СД приводит к увеличению тепловыделения, и к повышению температуры активной области светодиодной структуры. С ростом температуры СД уменьшается квантовый выход излучения, ограничивается максимальная оптическая мощность, снижается срок службы. Поэтому анализ теплового режима светодиодных структур требует детального изучения.

Цель работы состояла в исследовании тепловых процессов, происходящих при питании светодиодов импульсным током, и их влияния на светотехнические и электротехнические характеристики. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние параметров импульсного тока на нагрев светодиодной структуры и на отвод тепла от кристалла.

2. Исследовать изменение спектров и цветности светодиодных источников света при изменении температуры кристалла.

3. Исследовать динамику тепловых процессов, происходящих в кристалле.

Объектом исследования являются светодиодные источники света раз-личной цветности, особенности тепловых процессов и генерации излучения при работе в импульсном режиме.

Методы исследований:

- экспериментальные методы исследования тепловых характеристик свето-диодов и их влияния на светотехнические параметры;

- методы расчета динамики тепловых процессов, происходящих при питании импульсным током;

- анализ и сопоставление экспериментальных и расчетно-теоретических данных.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые проведены комплексные исследования работы свето-диодов в режиме импульсного питания.

2. Разработана методика и экспериментальная установка для проведения светотехнических, электротехнических, тепловых измерений параметров светодиодов; разработан алгоритм и программа для проведения данных исследований и обработки их результатов.

3. Получены экспериментальные зависимости изменения спектра свече-ния при импульсном токе, экспериментальные данные динамики разогрева и остывания кристалла при протекании тока и установлена их аналитическая связь с тепловым сопротивлением светодиода.

4. Экспериментально определены зависимости температуры кристалла от параметров протекающего импульсного тока.

5. Разработана математическая модель разогрева кристалла при импульсном питании для расчета тепловых характеристик светодиодов при пита-нии импульсным током.

6. Разработана методика измерений тепловых характеристик свето-дио-дов в световом приборе.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель разогрева кристалла светодиода при импульсном токе питания.

2. Методика, экспериментальная установка, программа для измерения электротехнических, светотехнических, тепловых параметров светодио-дов.

3. Динамика разогрева и остывания кристалла светодиода носит экспоненциальный характер, определяется величинами теплового сопротивления и теплоемкостью элементов конструкции, для импульсного тока эта зависимость описывается теплоемкостью кристалла.

4. Вследствие локального перегрева рабочей области кристалла, увеличение максимально допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению максимально допустимого значения амплитуды импульсного тока. При улучшении теплоотвода, увеличение допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению допустимого значения амплитуды импульсного тока.

5. При импульсном питании увеличение частоты питающего тока приводит к снижению нагрева активной области кристалла.

6. Спектр светодиода белого цвета свечения при импульсном питании изменяется в связи с инерционностью процессов генерации излучения люминофора. Спектры свечения кристаллов светодиодов при увеличении длительности импульсов смещаются в длинноволновую область. Данное смещение определяется увеличением температуры кристалла.

7. Методика измерения температуры кристалла в световом приборе.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для проведения косвенных измерений температуры активной области кристалла светодиода.

2. Получены экспериментальные данные зависимости параметров светодиодов от различных режимов импульсного питания.

3. Разработаны светодиодный проектор и светодиодный светофор в основу которых положен импульсный режим работы светодиодных источников света.

4. Разработана методика измерения температуры кристаллов светодиодов при проведении испытаний световых приборов.

1 Аналитический обзор публикаций

1.1 Конструкция и механизм генерации излучения светодиодов

1.1.1 Механизм протекания тока и генерации излучения в светодиодной структуре, электрические параметры светодиодов

Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном /?-п-переходе (рисунок 1.1). Для источников видимого света необходимы полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ или больше, если используются не межзонные переходы, а излучательные переходы через глубокие примесные уровни [8].

Рисунок 1.1- Излучательная рекомбинация

Наилучшие параметры излучения имеют светодиоды на основе гете-роструктур (или гетеропереходов). Гетеропереходом называется переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны [9]. Наряду с ординарной, в светодиодах используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительный запирающий широкозонный слой того же что и база типа проводимости. В двойной гете-роструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, зона базы образует потенциальную яму, в которой скап-

ливаются инжектированные электроны. Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры. Другой отличительной особенностью гетеростурктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера. Поэтому излучение выводится из эмитерра практически без поглощения [8]. Все преимущества гетеропереходов достижимы только при высоком их качестве [10].

При увеличении напряжения на светодиоде с квантовыми ямами на основе структур из СаИ, протекание тока происходит в следующей последовательности: туннельный (безызлучательная рекомбинация) - при напряжениях меньших 1 В, туннельный (излучательная рекомбинация) - при напряжениях 1-2 В, инжекционный - при напряжениях 2-2,5 В, инжекционный (ограниченный последовательным сопротивлением) - 2,5-4 В [1112]. В работе [13] также показано, что при малых токах существенна роль туннельного излучения. В спектре голубого 1пСа1Ч/АЮаМ/СаК светодиода при малых токах (/<0,1 мА) наряду с основным максимумом с энергией 2,7 эВ, существует максимум туннельного излучения с энергией 2,28 эВ. При увеличении напряжения выше 2 В, начинает резко расти интенсивность голубой линии.

Максимальная квантовая эффективность в 1пОаК светодиодах наблюдается при небольших токах в диапазоне 0,1-1 мА и с последующим ростом уровня инжекции эффективность падает (рисунок 1.2) [14, 15].

Наряду со структурами АПпваЫ, излучающими в сине-зеленой области, в настоящее время существуют структуры АПпОаР, излучающие в оранжево-красной области [16]. При этом для создания СД с высокой цветопередачей необходимы СД с излучением в области 530-580 нм, эффективность которых пока невысокая, что вызвано либо непрямозонной структурой (ваР, 81С), либо недостаточным временем жизни (АпВх/!), либо недостаточно ис-

следованием материалов (оксиды II группы, нитриды редкоземельных элементов). В системе AlInGaP при создании СД на излучение короче 580 нм происходит переход к непрямозонной структуре при увеличении концентрации AI [17]. Для структур AinN фундаментальных проблем нет, но есть большое рассогласование решеток GaN-InN.

10"7 10"' 10° ю'

5, ма

Рисунок 1.2 - Зависимости от прямого тока для 1пОаК светодиода синего цвета свечения: а) световой мощности; б) квантовой эффективности

1.1.2 Конструкция светоизлучающего кристалла

Существуют различные конструкции кристаллов, отличающиеся по способу крепления, наличию или отсутствию сапфировой подложки, расположению контактов на структуре и их форме. В них используются различные способы эпитаксии и материалы подложек [18]. Типичная конструкция кристалла светодиода приведена на рисунке 1.3.

В зависимости от наличия сапфировой подложки и способа крепления, кристаллы светодиодов делятся на четыре категории (рисунок 1.4) [19]: а) в стандартной конструкции кристалла (рисунок 1.4 а) слой р-СаИ вместе с п- и р-электродами находится наверху, электроды присоединяются к выводам корпуса с помощью проволоки;

Рисунок 1.3 — Стандартная конструкция кристалла светодиода 1пОаМ

б) в перевернутом тонкопленочном светодиоде (рисунок 1.4 б) сапфировая подложка находится сверху, и электроды присоединяются к подставке. Избавление от сапфировой подложки и использование проводящей основы дают ряд преимуществ в светоотдаче и улучшении рассеяния тепла;

в) в вертикальном тонкопленочном светодиоде (рисунок 1.4 в) «-электрод располагается наверху, а поддерживающий проводник работает как р-контакт. Дополнительным преимуществом такой конструкции является лучшее распределение тока;

п-площадка

б г

Рисунок 1.4 - Типовые конструкции кристаллов свето диодов: а) стандартная конструкция; б) перевернутый тонкопленочный светодиод; в) вертикальный тонкопленочный светодиод; г) перевернутый тонкопленочный кристалл

г) в перевернутом тонкопленочном кристалле (рисунок 1.4 г) кристалл свето-диода без сапфировой подложки подключается посредством специальной подставки. В данном случае, как и у обычного или перевернутого светодио-да, п- и ^-электроды расположены с одной стороны.

В работе [20] изучается технология создания рельефа на поверхности гетероструктур АЮаГпЫ, выращенных на подложках (улучшение вывода света) методом реактивного ионного травления. Приводятся данные о том, что эффективность светодиодного кристалла с травлением на 25% выше, чем исходного. Подложка БЮ в светодиодных структурах используется вследствие того, что по сравнению с сапфиром у нее выше теплопроводность, хорошо соотносятся коэффициенты преломления материала подложки и структуры ОаЫ (нет эффекта полного внутреннего отражения).

Для обеспечения электрического контакта кристалла с токоведущими проводниками на его поверхность наносятся омические контакты. Они должны обеспечить: достаточно низкое удельное сопротивление омического контакта к полупроводнику; хорошую адгезию металлического контакта к поверхности полупроводника и к диэлектрическому покрытию; низкие механические напряжения на границах раздела металл-полупроводник и металл-диэлектрик; технологичность операции сборки (посадка кристалла в корпус и присоединение проволочных выводов); высокую прочность при сборке термокомпрессионных соединений золотой проволокой или ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки; стабильность при хранении и эксплуатации. Применяемые в производстве светодиодов материалы приведены в таблице 1.1 [21,22].

Таблица 1.1- Материалы омических контактов в светодиодах

Кристалл Верхний контакт Нижний контакт

1пОаЫ №-Аи ТьА1

АЮаАв Аи-Ое Аи-Ве

ОаР А1 Ое-Аи

Для повышения светового потока светодиодов необходимо увеличивать ток через светодиод, что приводит к увеличенному тепловыделению. В настоящее время основным направлением совершенствования конструкции светодиодов является снижение тепловыделения и улучшение отвода тепла от кристалла. Увеличение размеров кристалла также дает возможность увеличивать световой поток, но при повышении размеров кристалла происходит снижение эффективности излучения светодиодов [23], поэтому в настоящее время оптимальным размером кристалла в отношении величины светового

л 2

потока и световой отдачи являются кристаллы размером 1 мм , и током 350 мА. При этом светодиоды могут работать на больших токах. Повышение тока через кристалл увеличивает мощность и световой поток светодиода, но световая отдача значительно снижается. При недостаточном теплоотводе также уменьшается срок службы светодиодов.

1.1.3 Конструкция и параметры светодиодов

Существуют разнообразные конструкции светодиодов, элементы которых выполняют различные функции: подвод тока к кристаллу, герметизация кристалла, формирование светораспределения, отвод тепла от кристалла.

Варианты конструкции светодиодов приведены на рисунке 1.5. Для маломощных светодиодов кристалл крепится непосредственно на токовый ввод, который также выполняет функцию кристаллодержателя. Для контакта со вторым токовым вводом используется проволока, привариваемая к кристаллу. Пластиковая линза выполняет функции герметизации кристалла и создания требуемого пространственного светораспределения.

У мощных светодиодов кристалл крепится к теплоотводу с помощью токопроводящих клеев. Тепловое сопротивление может составлять 1020 К/Вт [24, 25] в случае эпоксидного крепления кристалла и 3-5 К/Вт в случае посадки на эвтектику [26, 27]. Для крепления кристаллов к монтажному основанию также возможно использование припоев (например припой РЬ-Бп-Ag). Линза может быть выполнена как из пластика, так и из кварца [28]. Про-

18

странство между линзой и кристаллом заполняется гелем, что позволяет снизить деформирующие нагрузки при нагреве кристалла протекающим током.

Лшм

Рисунок 1.5 - Различные конструкции светодиодов: а) маломощного светодиода; б) мощного осветительного светодиода

Люминофорный слой белых светодиодов обычно наносится непосредственно на кристалл светодиода (рисунок 1.6). В большинстве случаев люминофор помещается в отражатель, одной из основных функций которого является удержание люминофора [29]. Существует также более технологичный способ нанесения люминофора в виде капли, что позволяет получить равномерный по толщине слой, что улучшает равномерность светораспреде-ления прибора [30].

1 - отражатель; 2 - чип; 3 - лунка линзы; 4 - люминофор; 5 - подкристальная плата

Рисунок 1.6- Люминофорный слой: а) в отражателе; б) в форме капли

Основной функцией кристаллодержателя является отвод тепла от кристалла, поэтому при конструировании наиболее важным является расчет теплового сопротивления р-п-переход - кристаллодержатель, которое существенно зависит от конструкции кристалла (подложки), примененного клеевого состава, на котором крепится кристалл, и необходимой теплоемкости и теплопроводности материала самого кристаллодержателя [31].

Вариантом конструкции светодиодов являются многокристальные светодиоды [27, 32] с различным цветом излучения и полноцветный (RGB, Full color) прибор, содержащий 3 кристалла в одном корпусе, позволяющий формировать любой оттенок свечения, в том числе белый, как результат смешения трех цветов. Кристаллы расположены на одной общей подложке и находятся друг от друга на близком расстоянии, следовательно все 3 кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени, поэтому все изменения температурозависимых параметров происходят одновременно, без влияния на них большой разницы прямых токов, и не сказываются на результирующем цвете и интенсивности излучения, сформированных в этот момент системой управления. Как правило, такие светодиоды исполняются в форме элементов для ^МО-монтажа и практически не имеют оптической системы, формирующей специфическую диаграмму направленности, поэтому она приближается по форме к косинусной, однако, взаимное геометрическое расположение кристаллов, вносит искажения в равномерность смешения световых потоков, тем более, что в течение наработки он претерпевает существенное перераспределение в пределах диаграммы направленности [33].

Светораспределение светодиодов, формируется линзами, которые зачастую являются корпусом светодиода. Оно в зависимости от применения может быть узконаправленным, с углом излучения до 5°, также существуют широкоизлучающие светодиоды [34]. Для создания специфического пространственного распределения силы света может применяться оптика Френеля, нанесенная непосредственно на верхнюю часть линзы светодиода повышенной мощности [35, 36].

Вследствие несовершенства технологии, параметры светодиодов значительно различаются не только между партиями, но и внутри одной партии светодиодов. Большой разброс характеристик создает проблемы при конструировании световых приборов, поэтому вводят бинование светодиодов -разделение их на группы со схожими характеристиками. Основными параметрами при биновании являются прямое падение напряжения, световой поток, яркость, длина волны для монохроматических, либо цветовая температура для белых, светодиодов [34].

1.1.4 Тепловая модель светодиода

Увеличение светового потока светодиодов ограничивается низкой мощностью излучающего кристалла, который работает на определенном напряжении (2-3 В). Единственной возможностью повышения мощности одиночного кристалла является увеличение проходящего через него тока, что может быть достигнуто двумя способами - увеличением размеров кристалла либо увеличением плотности тока через кристалл. При больших размерах кристалла снижается его эффективность, за счет повышения поглощения излучения в кристалле, снижается надежность, за счет больших термических деформаций, а также растет стоимость изделия. Повышение плотности тока также приводит к снижению эффективности за счет нагрева кристалла. Максимальное значение плотности тока ограничивается предельной температурой кристалла, при которой начинается его значительная деградация, при больших температурах может произойти разрушение корпуса светодиода. Температура кристаллов для нитридных соединений обычно ограничивается величиной 120°С, но за счет улучшения технологии посадки и применения новых материалов в современных светодиодах удалось поднять ее до уровня 185°С [37].

В светодиодах источниками тепла являются активная область кристалла, токопроводящие слои структуры, омические контакты к кристаллу. При малых значениях тока основным источником тепла является активная

область, которая нагревается за счет безызлучательной рекомбинации. При высоких значениях тока доля тепла, выделяющегося на контактах и во внешних слоях кристалла, значительно увеличивается. Тепловой режим кристалла значительно влияет на все характеристики излучения [38,39,40,41].

Для упрощения расчетов охлаждения структуры, используются тепловые модели Кауэра и Фостера, согласно которым тепловые сопротивления и теплоемкость элементов конструкции может быть представлена в виде эквивалентной электрической схемы, в которой тепловое сопротивление соответствует электрическому сопротивлению, а теплоемкость элемента - электрической емкости. Эквивалентные динамические тепловые модели приведены на рисунке (рисунок 1.7) [42, 43].

1

мщшыё Л;

Рисунок 1.7 - Эквивалентные динамические тепловые модели светодиода: а) по модели Фостера; б) по модели Кауэра

В случае термодинамического равновесия, когда градиент температур постоянен, теплоемкости не играют роли, следовательно модель упрощается. В маломощных светодиодах (рисунок 1.8) применяется корпус из эпоксидной смолы, которая плохо проводит тепло, поэтому каналом отвода тепла является катодный вывод.

1 -анодный вывод светодиода, 2 - эпоксидный корпус, 3 - основание светодиода с катодным выводом, 4 -светодиодный чип, 5 - отражающая чашка катодного вывода, 6 - контактные провода

Рисунок 1.8 - Конструкция маломощного светодиода

Тепло выделяется в активной области кристалла, тепловой поток проходит через последовательные тепловые сопротивления /?-и-перехода (<9Д подложки (Оцар), теплового контакта подложка - монтажное основание (<9Л/;) и катодного вывода (<9;-а). Разница температуры между кристаллом и окружающей средой вычисляется по следующей формуле 1.2 [44]:

7} - Та = АТМ = (1 - пУР'Щ-а, (1.1)

где 7} - температура р-п - перехода;

Та - температура окружающей среды;

Р - потребляемая светодиодом электрическая мощность;

г\ - энергетическая эффективность излучения светодиода;

0] а = <9, + 0Щ, + ©5р + - тепловое сопротивление между кристаллом светодиода и окружающей средой;

АТ;М = АТ/ + АТЩ) + АТцр + АТ^а - температурные перепады на тепловых сопротивлениях.

Для светодиодов, с теплопроводящим основанием, крепящимся на печатную плату, выделяют тепловые сопротивления: «р-п-переход - теплоот-вод корпуса», «теплоотвод корпуса - печатная плата», «печатная плата - теп-лоотвод», «теплоотвод - окружающая среда» [31].

Рассматривая тепловое сопротивление «р-и-переход - теплоотвод корпуса», различают светодиодные индикаторы (стандартные маломощные светодиоды, в которых тепло рассеивается через катодный вывод) и мощные СД (в них предусмотрен специальный теплоотвод в виде медного проводящего основания, либо в виде токонепроводящего керамического основания с малым тепловым сопротивлением). Для индикаторных светодиодов характерно высокое тепловое сопротивление (до 300 К/Вт), и как следствие низкая теплопередача. Соответственно, для них нецелесообразно использовать дорогостоящие системы охлаждения. В мощных светодиодах тепловое сопротивление может составлять 2,6-18 К/Вт, что позволяет считать выгодным использование теплоотвода.

Следующим звеном системы рассеивания тепла является тепловое сопротивление «теплоотвод корпуса - печатная плата». Для светодиодов мощностью до 0,5 Вт можно использовать обычные печатные платы. Для более мощных светодиодов применяются платы с металлизированным основанием (обычно алюминиевым). Металл, играющий роль теплоотвода в этих случаях покрывают тонким слоем диэлектрика, получая комбинированную печатную плату с низким тепловым сопротивлением. Зачастую этого бывает достаточно, и плата рассеивает тепло в окружающую среду, но для наиболее мощных светодиодов используют дополнительный теплоотвод, причем светодиод может соединяться с данным теплоотводом как через печатную плату, так и непосредственно устанавливаться на теплоотвод (в зависимости от конструкции). Различают следующие виды конструкции теплоотводов (радиаторов): алюминиевые радиаторы (применяются когда необходимо рассеять мощность менее 10-15 Вт); керамические радиаторы, обладающие рядом преимуществ (малое тепловое сопротивление, высокая механическая и диэлектрическая прочность, высокая адгезия к металлам), что позволяет размещать светодиод непосредственно на радиатор, избавляясь от печатной платы, и связанным с ней дополнительным тепловым сопротивлением.

Для рассеиваемых мощностей более 15-20 Вт радиаторы могут дополнять системами воздушного обдува. Простейшим решением является использование вентиляторов, но они обладают высоким уровнем шума. Развитие этого направления привело к созданию струйной технологии обдува радиатора (система охлаждения ЗупЗег компании ЫиуепНх обеспечивает тепловое сопротивление 0,75...2,67 К/Вт при снижении габаритов и уровня шума) [45]. Принцип действия данной системы основан на обдуве ребер радиатора импульсными турбулентными потоками воздуха, более эффективным, чем традиционный ламинарный поток, создаваемый обычными вентиляторами.

Для рассеиваемых мощностей порядка сотен Вт применяются системы жидкостного охлаждения радиаторов. Они обеспечивают тепловое сопротивление десятые, сотые доли К/Вт. В настоящий момент их применение в светодиодных приборах ограничено.

1.2 Температурные зависимости работы светодиодов

Температура кристалла влияет практически на все характеристики светодиодов: срок службы, светотехнические, электрические характеристики, характеристики световой и энергетической эффективности. Причинами изменения температуры могут выступать внутренние и внешние факторы. К внутренним факторам можно отнести нагрев кристаллов протекающим током, поглощение излучения в кристалле. К внешним - изменение окружающей температуры, тепловых условий работы светодиода [31]. Влияние этих двух факторов накладывается друг на друга.

1.2.1 Температурные зависимости эффективности люминесценции и электрических параметров

Генерация излучения светодиодов значительно зависит от температуры кристалла. По данным исследований [46] при нагреве кристалла происходит изменение ширины запрещенной зоны (рисунок 1.9).

50

100 150 200 250 300 350 400 450

Рисунок 1.9 - Тенденция изменения ширины запрещенной зоны полупровод-

ников группы АШВУ в зависимости от температуры

Существенное влияние оказывает безызлучательная рекомбинация, зависящая от температуры (рисунок 1.10). При повышении температуры кристалла происходит снижение внешней квантовой эффективности.

Рисунок 1.10 - Приблизительная общая зависимость квантовой эффективно-

сти излучения гетероструктур материалов группы AinBv от температруры

Зависимость внешней квантовой эффективности от плотности тока приведена на рисунке 1.11 [47]. Изменение эффективности излучения свето-

диодов при росте плотности тока связывают с конкуренцией процессов излу-чательной и безызлучательной рекомбинации. При этом при плотностях тока до 10 А/см2 преобладает рост излучательной рекомбинации, при больших плотностях начинает сказываться влияние безызлучательной рекомбинации.

Плотность тока, А/см2 Рисунок 1.11- Зависимость внешней квантовой эффективности

от плотности тока

Существуют различные объяснения снижения квантовой эффективности, которое связывают либо с заполнением локализованных состояний в активной области, либо с конкуренцией процессов излучательной и оже-рекомбинации, либо с уменьшением коэффициента инжекции при росте тока накачки. Но однозначного ответа нет.

От температуры также значительно зависят вольт-амперные характеристики (рисунок 1.12). Столь значительное изменение экспоненциального участка ВАХ с температурой, связывают с изменением плотности состояний и скорости рекомбинации на р-и-переходе.

Рисунок 1.12 - Вольт-амперные характеристики светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при различных температурах окружающей среды

Для оценки влияния температуры на эффективность светодиодов и сравнительной оценки инжекционных и джоулевых потерь в работе [44] проводились исследования эффективности люминесценции в импульсном режиме работы светодиода и сравнивались со стационарным режимом работы (рисунок 1.13). По результатам исследований можно заключить, что при питании импульсным током, исключающим нагрев кристалла, в меньшей степени происходит снижение эффективности люминесценции, по сравнению с постоянным током, что говорит о влиянии джоулева перегрева на эффективность светодиодов. Причем до токов 150 мА сказываются инжекционные потери, при дальнейшем увеличении большее влияние оказывают тепловые потери.

В то же время в работе [48] приводятся данные о том, что при увели-

2 2

чении плотности тока с 1-30 А/см до 300 А/см эффективность падает в 1,52,5 раза. Причем это явление характерно как для постоянного тока, так и для

импульсного режима работы, что исключает влияние перегрева. В работе проведен теоретический анализ возможных причин снижения эффективности, среди которых выделяются: а) утечка электронов в ^-область гетерост-руктуры; б) влияние локализации электронов и дырок в 1п-обогащённых кластерах, образованных за счёт флуктуаций состава 1пСаК активных областей, на скорость безызлучательной рекомбинации носителей на проникающих дислокациях; в) Оже-рекомбинация. Делается вывод, об Оже-рекомбинации, как основной причине снижения эффективности.

1,0

0,8

0,6

ч

ч

х к Ь

0,4

0,2

Импульсный режим 4р~3 мкс» 1=100 Гц

Стационарный режим температура теппоотвода 2Ь9С \

.31_А^ль.

0 §0 100 150 200 250 300 350 400 Рисунок 1.13 -Зависимости эффективности люминесценции от тока

Но все же большая часть исследователей связывает снижение эффективности с перегревом структуры [41, 46, 49, 50]. При этом повышение плотности тока вызывает различное снижение квантовой эффективности: в статике на 50%, в импульсах на 39% [49].

Для изучения влияния температуры на оптическую мощность свето-диода в [44] было проведено исследование работы светодиодной структуры в условиях фиксированной температуры материала радиатора. Светодиодная структура закреплялась на алюминиевой пластине, которая присоединялась с

помощью термопасты (АлСил-3) на элемент Пельтье. На элементе Пельтье устанавливалась температура в диапазоне 25-75°С. Полученные зависимости интенсивности люминесценции от тока приведены на графике (рисунок 1.14). Для сравнения приведена зависимость интенсивности люминесценции этой же светодиодной структуры, установленной на стеклянной пластине, что предполагает отсутствие отвода тепла от кристалла.

■'Светодиодная структура с фиксированной температурой теплоотвода

^ ■

I, мА

Рисунок 1.14 - Токовые зависимости интенсивности люминесценции СаИ светодиодной структуры, при разных температурах теплоотвода

При увеличении тока мощность излучения светодиода падает, причем наименьшее падение интенсивности происходит при температуре теплоотвода 25°С, что однозначно указывает на влияние температуры на характеристики эффективности светодиодов. Эти эксперименты показывают возможность увеличения рабочего тока светодиода при использовании хорошего теплоотвода.

В работе [51] была получена зависимость квантовой эффективности от напряжения на светодиоде при разных температурах (рисунок 1.15). Положение максимума эффективности с нагревом снижается и смещается в сторону меньшего напряжения.

7 як

s U74 с, о»

Жемпературз,

«-21*C

--80"С

— • aft

-—--ъФщ.

- -*Ю'С ш Ыжжщм

Заключение диссертации по теме «Светотехника», Мышонков, Александр Борисович

Основные результаты и выводы

1. В работе были проведены исследования влияния параметров импульсного тока на нагрев светодиодной структуры, изменение спектров светодиодных источников света.

2. Построена математическая модель расчета тепловых характеристик светодиодов при питании импульсным током.

3. Установлено, что при улучшении отвода тепла от светодиода увеличение максимально допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению максимально допустимого значения амплитуды импульсного тока, вследствие локального перегрева рабочей области кристалла.

4. Показано, что динамика разогрева и остывания кристалла светодиода носит экспоненциальный характер, определяется величинами теплового сопротивления и теплоемкостью элементов конструкции, для импульсного тока эта зависимость описывается теплоемкостью кристалла.

5. Обнаружено, что спектр светодиода белого цвета свечения в течение периода импульса тока изменяется в связи с инерционностью процессов генерации излучения люминофора.

6. Установлено, что при импульсном питании в условиях внешнего нагрева светодиода происходит более значительное смещение максимума спектральной интенсивности излучения в сравнении с постоянным током при равных действующих значениях, объяснением этому служит больший разогрев рабочей области кристалла вследствие большей амплитуды импульса и инерционности процессов теплопередачи.

7. Показано, что увеличение частоты питающего тока приводит к снижению перегрева активной области кристалла.

8. Разработаны светодиодный проектор и светодиодный светофор в основу которых положен импульсный режим работы светодиодных источников света.

9. Разработана методика измерений тепловых характеристик светодиодов, которая позволяет измерять температуру кристалла светодиода в световом приборе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мышонков, Александр Борисович, 2012 год

Список использованных источников

1 Бегеманн Т. Светоизлучающие диоды - тенденции развития и влияние на освещение / Т. Бегеманн // Светотехника. -2003. - №3. - С.23-27.

2 Кодак A.C. Взаимосвязь механизмов токопротекания, технологических параметров и электрофизических характеристик светодиодов на основе гетероструктур AlGaN/InGaN/GaN и AlInGaP: дис. канд. техн. наук / A.C. Кодак. - М., 2007. - 207 с.

3 Мировой рекорд в лаборатории OSRAM: значительное увеличение яркости и эффективности белых светодиодов [Электронный ресурс] // Осрам: [официальный сайт]. [М., 2008]. - Режим доступа : http://www.osram.ru /osram ru/ News/Consumer/2008-07-21_LED_chiprecord.jsp. - Загл. с экрана.

4 Cree перешагнула 200 лм/Вт [Электронный ресурс] // LED Community. [М., 2009]. - Режим доступа : http://ledcommunity.ru/ node/ sandbox/ versions/ 37? after=20091209001800. - Загл. с экрана.

5 Мухитдинов М. Светоизлучающие диоды и их применение / М. Мухитдинов, Э.Ф. Мусаев. - М. : Радио и связь, 1987. - 80 с.

6 Местечкина Г. Драйверы со стабилизацией выходного тока для питания светодиодов / Г. Местечкина // Новости электроники. - 2008. - №7. -С. 10-12.

7 Tamura Т. Illumination characteristics of lighting array using 10 eandela-class white LEDs under AC 100 V operation / T. Tamura, T. Setomoto, T. Taguchi // Journal of Luminescence. - 2000. - vol. 87. - P. 1180 - 1182.

8 Никифоров С.Г. Разработка методик контроля деградации характеристик светодиодов на основе твердых растворов AlGalnP AlGalnN : дис. канд. техн. наук / С.Г. Никифоров. - М., 2006. - 206 с.

9 Корольков В.И. От транзистора и гетеролазера к точечным квантовым приборам [Электронный ресурс] / В.И. Корольков // Окно в микромир. -2000, №1. - Режим доступа : http://wmw-magazine.ru/ uploads/ volumes/ 01/ korol.pdf.

10 Ермаков О.Н. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы / О.Н. Ермаков, В.П. Сушков. - М.: Радио и связь, 1990. - 378 с.

11 Кудряшов В.Е. Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовымиямами на основе гетероструктур из GaN - зависимость от тока и напряжения / В.Е. Кудряшов, С.С. Мамакин, А.Н. Туркин и др. // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 35, вып. 7. - С. 861-868.

12 Morkoc Н. Nitride Semiconductors and Devices / H. Morkoc // Springer-Verlag. - 1999. - Vol. 78. - P.758.

13 Кудряшов В.Е. Туннельные эффекты в светодиодах на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами / В.Е. Кудряшов, К.Г. Золин, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин // Физика и техника полупроводников. - 1997. - Т. 31, № 11. - С. 78-83.

14 Mukai Т. Characteristics of InGaN-Based UY/Blue/Green/Amber/Red Light-Emitting Diodes / T. Mukai, M. Yamada, S. Nakamura // Appl.Phys.Lett. -2001. - Vol. 79.-P. 3723.

15 Мамакин С.С. Электрические свойства и спектры люминесценции светодиодов на основе гетеропереходов InGaN/GaN с модулировано-легированными квантовыми ямами / С.С. Мамакин, А.Э. Юнович, А.Б. Ваттана и др. // Физика и техника полупроводников. - 2003. - Т. 37. -С. 1131.

16 Сахаров А.В. Влияние релаксации напряжений на формирование активной области гетероструктур InGaN/(Al)GaN для светодиодов зеленого диапазона / А.В. Сахаров, В.В. Лундин, Е.Е. Заварин и др. // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43, вып. 6. - С. 841-846.

17 Кейси X. Лазеры на гетероструктурах : в 2 т. / X. Кейси, М. Паниш. -М. :Мир, 1981.-2 т.

18 Кристаллы светодиодов Сгее [Электронный ресурс] // CandlePower-Forums: Форум про освещение. [2011]. - Режим доступа : http://www. candlepowerforums.ru/viewtopic.php? f=17&t=25.

19 Ли К.Д. Наноформовка увеличивает эффективность светодиодов / К.Д. Ли, Р. Сжодин, Т. Эрикссон // Полупроводниковая светотехника. - 2010. -№5. _с. 22-24.

20 Аракчеева Е.М. Флип-чип светодиоды на основе гетероструктур AlGalnN, выращенных на подложках SiC / Е.М. Аракчеева, И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, М.М. Кулагина // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. -С. 67-68.

21 Именков А.Н. Свойства светодиодов на основе GaSb с сетчатыми омическими контактами / А.Н. Именков, Е.А. Гребенщикова, Б.Е. Журганов и др. // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т. 38, вып. II. - С. 13991407.

22 Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы : учебник для вузов / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. - 7-е изд., испр. - СПб. ; М. ; Краснодар : Лань, 2003.-479 с.

23 Технические характеристики кристаллов на подложке SiC [Электронный ресурс] // Компания Cree : [официальный сайт]. [2010]. - Режим доступа : www.cree.com. - Загл. с экрана.

24 Пат. 2114492 Российская Федерация МПК7 Н01 L 33/00. Светоиз-лучающий диод / B.C. Абрамов, Н.М. Беленьков, С.Д. Денисов, Н.В. Щербаков. -№ 96105089/25 ; заявл. 19.03.1996 ; опубл. 27.06.1998, Бюл. № 7. - Зс. : ил.

25 Винокуров А. Тепловые режимы мощных светодиодов Dorado /

A. Винокуров // Компоненты и технологии. - 2006. - №5. - С. 68-71.

26 Абрамов В. С. Свойства зелёных и синих InGaN - светодиодов /

B.C. Абрамов, С.Г. Никифоров, П.А. Соболь, В.П. Сушков // Светодиоды и лазеры. - 2002. - №1-2. - С. 30-33.

27 Никифоров С.Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для систем отображения информации высшего качества / С.Г. Никифоров // Компоненты и технологии. - 2005. - №5. - С. 48-57.

28 Антоненков Д.А. Высокомощные синие и белые светодиоды ИРС50/МК24: конструкция и характеристики в сравнении с зарубежными аналогами / Д.А.Антоненков, Д.А.Бауман, А.А.Богданов, Е.Д.Васильева,

A.Л.Закгейм и др. // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С.130-131

29 Щербаков В.Н. Физико-технологические основы повышения эффективности полупроводниковых источников света : дис. канд. техн. наук /

B.Н. Щербаков. - М., 2004. - 115 с.

30 Богданов A.A. Люминофорный слой в форме капли в белых свето-диодах // A.A. Богданов, Л.М.Втюрина, A.B. Феопентов // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - СПб., 2008. - С.86-87.

31 Абрамов B.C. Метод измерения температуры р-п-перехода свето-диодов / B.C. Абрамов, В.П. Сушков, Н.И. Сыпко // Светодиоды и лазеры. -2002.-№1-2.-С. 35-37.

32 Agafonov D.R. On Design and Manufacturing of LED and systems based on LED / D.R. Agafonov, P.P. Anikin, S.G. Nikiforov // Light & Engineering. - 2003.-Vol. 11, №1. -P. 50-56.

33 Никифоров С.Г. Исследование параметров семейства светодиодов CREE XLamp / С.Г. Никифоров // Компоненты и технологии. - 2006. - №11. - с. 42-49.

34 Миранович В. Мощные светодиоды: особенности применения, проблемы и методы решения на примере светодиодов компании Prolight opto technology / В. Миранович, И. Филоненко // Электронные компоненты. -2007. - №6. - С. 45-49.

35 Патент PCT/RU99/00389 Luminescent diode device (Узконаправленный светодиод с линзой Френеля).

36 Узкоградусные светодиоды с линзой Френеля [Электронный ресурс] // ООО «Корвет-Лайте»: [официальный сайт]. [М., 2011]. - Режим доступа : http://www.corvette-lights.ru/ pdf/ SDI_40mA_3gr.pdf.

37 Трофимов Ю.В. Сравнительные исследования КПД мощных синих светодиодов / Ю.В. Трофимов, В.И. Цвирко, П.П. Асламов // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. -С-Пб., 2008.-С. 125-126.

38 Ермаков О.Н. Светоизлучающие диоды зеленого цвета свечения с повышенной температурной стабильностью потока излучения / О.Н. Ермаков, В.Ф. Аксенов, Р.С. Игнаткина // Тез. докл. на 4 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». - М., 1982. - С. 103.

39 Николаев Ю.Н. Зависимость температурного коэффициента излучения светодиодов от тока питания / Ю.Н. Николаев, В.М. Кулешов // Тез. докл. на 5 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». -М, 1984.-С. 164.

40 Кравцов В.Е. Метод температурной стабилизации потоков излучения светодиодов. / В.Е. Кравцов, В.И. Кузнецов, Л.С. Ловинский // Метрология. - 1979. - №8. - С. 15-19.

41 Баринова Э.Ю. Температурная зависимость зеленого светодиода из GaP в интервале температур от -60 до +60 °С / Э.Ю. Баринова, Б.И. Вишневская, Л.М. Коган // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. - 1982. - Вып. 7. - С. 46-53.

42 Бумай Ю.А. Тепловой анализ качества посадки кристаллов светодиодов / Ю.А. Бумай, О.С. Васьков, Д.С. Доманевский, С.А. Манего, Ю.В. Трофимов // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С. 78-79.

43 Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры / Г. Лэм. - М. : Мир, 1982. - 592 с.

44 Ефремов А. А. Исследование эффективности InxGai_xN/GaN светодиодов : дис. канд. техн. наук. / А.А. Ефремов. - С.-Пб., 2006. - 104 с.

45 Quiet, Reliable, and Low Power Active Thermal Management [Электронный ресурс] // Nuventix : [официальный сайт]. [2010]. - Режим доступа : http://www.nuventix.com/ news/ SynJet-Wins-Tech-Innovation-Award. -Загл. с экрана.

46 Никифоров С.Г. Температура в жизни и работе светодиодов / С.Г. Никифоров // Компоненты и технологии. - 2005. - №9. - С.48-54.

47 Павлюченко A.C. Температурная зависимость эффективности ин-жекции в светодиодных гетероструктурах на основе AlInGaN / A.C. Павлюченко, И.В. Рожанский, Д.А. Закгейм // Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С. 108-109.

48 Карпов С.Ю. Анализ нетермических механизмов падения эффективности излучения нитридных светодиодов / С.Ю. Карпов, К.А. Булашевич,

B.Ф. Мымрин. // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С.94-95.

49 Шмидт Н.М Высокая квантовая эффективность синих светодиодов - слагаемые успеха / Н.М. Шмидт, М.Г. Агапов, Е.В. Богданова,

A.A. Грешнов, A.JI. Закгейм и др. // Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С.113-114.

50 Moolman М.С. A method towards simulating the total luminous flux of a monochromatic high power LED operated in a pulsed manner / M.C. Moolman, W.D. Коек, H.P. Urbach // Optics express. - 2009. - Vol. 17, No. 20. - P. 1-14.

51 Данильчик A.B. Влияние температуры на эффективность светодиодов REBEL / A.B. Данильчик, Е.В. Луценко, Н.В. Ржеуцкий и др. // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С. 80-81.

52 Никифоров С.Г. Температура в жизни и работе светодиодов /

C.Г. Никифоров // Компоненты и технологии. - 2006. - №1. - С. 18-23.

53 Архипов А.Л. Исследования и анализ зависимости квантового выхода светодиодов на основе материалов AlGalnN от плотности тока в неразо-гревающем режиме // А.Л. Архипов, С.Г. Никифоров #067_139_light_emitters. С. 69-70.

54 Кудряшов В.Е. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами /

B.Е. Кудряшов, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович, А.Н. Ковалев, Ф.И. Маняхин // Физика и техника полупроводников. - 1999. - Т. 33, вып. 4. - С. 56-58.

55 Королев А.П. Эффективность прямых преобразователей энергии при периодическом режиме работы / Б.Н. Денисов, А.П. Королев // VII Все-рос. молодежная науч. школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение». - Саранск, 2008. -С. 126-127.

56 Бочкарева Н.И. Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация синих светодиодов [Электронный ресурс] / Н.И. Бочкарева, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, Р.И. Горбунов, А.В. Клочков, Ю.Г. Шретер // ООО «КТЛ» : [официальный сайт]. [М., 2005]. - Режим доступа: http://www. bright-leds.ru/ page-degradation_blue_leds.html.

57 Сергеев В.А. Определение локальных температур в структурах красных AlInGaP/GaAs светодиодов в импульсном режиме / В.А. Сергеев,

A.А. Широков // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35, вып. 9. - С. 5-10.

58 Полищук А.Г. Исследование влияния импульсных токовых перегрузок на деградацию мощных светодиодов // А.Г. Полищук, А.Н. Туркин,

B.М. Харитонов. // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С. 127.

59 Rebane Y.T. Degradation and transient currents in Ill-nitride LEDs / Y.T. Rebane, N.I. Bochkareva, V.E. Bougrov et al. // Proceedings of SPIE. - 2003 -Vol. 4996.-P. 113.

60 Бочкарева Н.И. Влияние состояний на границах раздела на емкость и эффективность электролюминесценции InGaN/GaN-светодиодов / Н.И. Бочкарева, Е.А. Жирнов, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане, и др. // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Том 39, вып. 7. - С. 829-833.

61 Никифоров С.Г. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным / С.Г. Никифоров // Компоненты и технологии. -2006. - №3. - С. 96-103.

62 Мулюкин Н.В. Исследование импульсных режимов работы полупроводниковых источников света, используемых в системах отображения информации / Н.В. Мулюкин, В.П. Сушков, В.П. Новиков, Е.В. Кашеварова,

В.В. Локтев // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. » 1977. - №4(114). - С. 55-62.

63 Мулюкин Н.В. Исследование визуальной индикации полупроводниковых источников излучения в импульсном режиме / Н.В. Мулюкин, Б.В. Пронин, О.В. Бычков // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. - 1975. - №2(94). - С. 18-23.

64 Human Perception Studied to Double LED Brightness [Электронный ресурс] // Tech-on : [интернет портал]. [2008]. - Режим доступа : http:// te-chon.nikkeibp.co.jp/ english/ NEWS_EN/ 20080407/ 150114. - Загл. с экрана.

65 Осинский В.И. Частичная когерентность излучения мощных светодиодов на основе Ш-нитридов / В.И. Осинский, Е.И. Новиков, А.В.Раков // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С.106-107.

66 Применение светодиодов проблемы и их решения [Электронный ресурс] // Информационная статья. [2009]. - Режим доступа: http://www. radi-odetali.ru/ pdf/ led/ led_adn_dr.pdf.

67 Варешкин М.Г. Спектры излучения мощных светодиодов белого свечения и осветители на их основе / М.Г. Варешкин, Н.А. Гальчина, Л.М. Коган, И.Т. Рассохин, Н.П. Сощин, А.Э. Юнович // Светотехника. - 2005. -№1. - С. 15-17.

68 Светодиоды «теплого» белого свечения на основе р-п-гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN, покрытых люминофорами из ит-трий-гадолиниевых гранатов // Н.П. Сощин, Н.А. Гальчина, Л.М .Коган, С.С. Широков, А.Э .Юнович / Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43, вып. 5. - С. 700-704.

69 Феопентов А.В. Желтые люминофоры, применяемые в производстве белых светодиодов [Электронный ресурс] / А.В. Феопентов // LED Сот-munity : [интернет портал]. - [М., 2007]. - Режим доступа: http://www. ledcommunity.ru/ reviews/ papers/ yellphos.

70 XLamp 7090 Binning and Labelling (XL Series) [Электронный ресурс] // Cree : [Официальный сайт]. - [M., 2007]. - Режим доступа: http://www.cree.com/products/lightleds_docs.htm.

71 Хайрулина А.С. Эффективность белого свечения гетероструктур на основе твердого раствора InGaN с люминофором : автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. / А.С. Хайрулина ; М-во образования и науки РФ, Ульяновский гос. унив. - Ульяновск, 2008. - 25 с.

72 Туркин А.Н. Исследование системы «кристалл+люминофор» для эффективных белых светодиодов / А.Н.Туркин, С.С. Широков, А.Э. Юнович, Р. Джаббаров, Н. Мусаева, и др. // Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - С-Пб., 2008. - С. 128-129.

73 Справочник по импульсной технике / под ред. В.Н. Яковлева. - К. : Техника, 1970.-655 с.

74 Старостин А.Н. Импульсная техника: уч. пособие / А.Н. Старостин. - М. : Высшая школа, 1973. - 334 с.

75 Иванов А.П. Электрические источники света: 4.1. Лампы накаливания / М.: ГОНТИ. - 1938. - 355 с.

76 Ицхоки Я.С. Импульсные цифровые устройства / Я.С. Ицхоки, Н.И. Овчинников. - М.: Советское радио, 1972. - 592 с.

77 Анашкин П.М. Моделирование и управление оптическим излучением тепловых источников света при термоциклическом режиме работы : дис. канд. техн. наук / П.М. Анашкин. - Саранск, 2008. - 195 с.

78 Xi Y. Junction-temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method / Y. Xi, E.F. Shubert // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85. - P. 2163.

79 Шуберт Ф.Е. Светодиоды : пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича / Ф.Е. Шуберт. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 496 с.

80 Kuball М. Self-Heating effects at high Pump Currents in Deep UV LED / M. Kuball, S. Pajasingam, A. Sarua et al. // Appl.Phys.Lett. - 2003. - Vol. 82. -P. 124.

81 Winewisser С. In-situ temperature measurements via ruby R-lines of sapphire substrate based InGaN light emitting diodes during operation / C. Winewisser, J. Schneider // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 89. - P. 3091.

82 Закгейм A.JI. Исследование температурных полей в мощных InGaN/GaN светодиодах с помощью ИК тепловизионного микроскопа / A.J1. Закгейм, М.Н. Мизеров, А.Е. Черняков, Н.М. Шмидт // Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы: тез. докл. 6-й Всерос. конф. - СПб., 2008. - С. 132-133.

83 Ашрятов A.A. Измерение температуры кристалла маломощных светодиодов / A.A. Ашрятов, С.А. Микаева, А.Б. Мышонков // Автоматизация и современные технологии. - 2011. - №3. - С. 10-13.

84 Ашрятов A.A. Аппроксимация кривых саморазогрева кристалла светодиода протекающим током / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков, С.Д. Шибайкин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : СВМО, 2011. - С. 148-151.

85 Продукция, сапфир [Электронный ресурс] : официальный сайт компании ООО НПФ «Экситон». - [Ставрополь, 2010]. - Режим доступа: http://www.npf-exiton.ru.

86 Мышонков А.Б. Исследование светодиодов при импульсном питании / А.Б. Мышонков, A.A. Ашрятов // Материалы итоговой региональной науч.-практич. конф. «Научный потенциал молодежи - будущему Мордовии» : в 2 ч. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - Ч. 2 : Естественные и технические науки. - С. 142-143.

87 Ловинский JI.C. О новой публикации МКО «Фотометрия светодиодов» / Л.С. Ловинский // Светотехника. -1999. - №3. - С. 18-20.

88 Ашрятов A.A. Температурная зависимость спектра излучения светодиодов при импульсном режиме питания / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. - С. 20-23.

89 Мышонков А.Б. Исследование зависимости спектра излучения светодиодов от режима питания / А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 40-43.

90 Мышонков А.Б. Спектральные характеристики светодиодов при импульсном режиме работы / А.Б. Мышонков, A.A. Ашрятов, Д.А. Семенов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сб. науч. тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : СВМО, 2010. - С. 51-53.

91 ГОСТ Р 52282-2004. Технические средства организации дорожного движения. Светофоры дорожные. Типы и основные параметры. Общие технические требования. Методы испытаний ; введ. 2006-01-01.

92 Светофор дорожный светодиодный [Электронный ресурс] // Уральский оптико-механический завод: [официальный сайт]. [2005]. - Режим доступа : http://www.uomz.ru/ production/ skds8.htm.

93 Светофоры [Электронный ресурс] //ОАО «JIOMO» : [официальный сайт]. [2005]. - Режим доступа: http://www.lomo.ru/ site/ catalog.

94 Ашрятов A.A. Усовершенствование пешеходного светофора / A.A. Ашрятов, М.Б. Басов, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники : сб. науч. тр. II Всерос. науч.-техн. конф. / Под. ред. проф. Л.В. Абрамовой. - Саранск : СВМО, 2004. - С.41-42.

95 Ашрятов A.A. Модернизация пешеходного светофора / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. / Под. ред. проф. JI.B. Абрамовой. - Саранск: СВМО, 2005. - С.43-45.

96 Ашрятов A.A. Пешеходный светодиодный светофор / A.A. Ашрятов, С.А. Потапов, Е.Г. Зоткин, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энер-

гетики : сб. науч. тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : СВМО, 2010. - С. 47-49

97 Пат. на полезную модель 100316 Российская Федерация МПК7 G 08 G 1/095. Пешеходный светодиодный светофор / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков ; заявитель и патентообладатель Мордовский гос. унив. -№2010124039/11 ; заявл. 11.06.2010 ; опубл. 10.12.2010, Бюл. №34. -3 с. : ил.

98 Ашрятов A.A. Схемотехническая реализация пешеходного светодиодного светофора [Электронный ресурс] / A.A. Ашрятов, С.А. Потапов, А.Б. Мышонков // Электроника и информационные технологии: электрон, науч. периодическое издание. - 2010. - Вып. 2 (9). - П. 1. -Режим доступа: http://fetmag.mrsu.ru/2010-2/pdf/PedestriaiiTrafficLights.pdf.

99 DLP Projector Technology, Light Engine, DMD Chip [Электронный ресурс] : Projector . - [2010]. -Режим доступа : http://www.projector.com/ resources/ dlpproj ectortechnology .php.

100 DLP или LCD? [Электронный ресурс] // Интернет-магазин. -[2010]. - Режим доступа : http://www.kupiproektor.ru/dlp-lcd.htm.

101 Технологии [Электронный ресурс] // ДеЛайт 2000 - интегрированные аудио-визуальные системы: [официальный сайт]. [М., 2010]. - Режим доступа : http://www.delight2000.com/ gloss.html? id_rub=4644&obj=rub.

102 Полищук А.Г. Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств / А.Г. Полищук // Современная электроника. - 2006. - № 3. - С. 52-56.

103 Ашрятов A.A. Измерение температуры кристалла маломощного светодиода / A.A. Ашрятов, С.А. Микаева, А.Б. Мышонков // Приборы. -2010. -№5(119).-С.56-61.

104 Мышонков А.Б. Методика контроля температуры кристаллов све-тодиодов при разработке световых приборов / А.Б. Мышонков // Светотехника и источники света: сб. науч.-метод, тр. - Саранск : СВМО, 2011. - С. 100101.

105 Ашрятов A.A. Температура кристалла светодиода в световом приборе / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : СВМО, 2011. - С. 103-104.

Приложение А - Виртуальный прибор генератора импульсов

written ре* channel

moward_aol_new

moward_measure

Выходные данные

Число точек

Ш array

I array

сети за цикл

Число точек - число точек измерения тока и

Рисунок А.! - Лицевая панель виртуального прибора генерации импульсного тока

Рисунок А.2 - Блок-схема виртуального прибора генерации импульсного тока

Приложение Б - Виртуальным прибор измерения волы-амперной характеристики

Рисунок Б.1 - Лицевая панель виртуального прибора измерения вольт-амперной характеристики

Рисунок Б.2 - Блок-схема виртуального прибора измерения вольт-амперной характеристики

Приложение В - Виртуальный прибор измерения и регистрации фотоэлектрических характеристик

Рисунок В.1 - Лицевая панель виртуального прибора измерения и регистрации фотоэлектрических характеристик

Рисунок В.2 - Блок-схема виртуального прибора измерения и регистрации фотоэлектрических характеристик

ГОУ В арева»

профес касов

от « >010 г.

Прорет г

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук Мышонкова А.Б. на тему: «Исследование характеристик светодиодных источников света при питании импульсным током»

Настоящий акт составлен в том, что результаты экспериментальных и расчетных исследований характеристик светодиодных источников света, проведенных Мышонковым А.Б., используются на кафедре источников света в курсовом и дипломном проектировании, при чтении курсов «Квантовая и оптическая электроника», «Светодиодные источники оптического излучения». Созданные экспериментальные установки и методики применяются в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре источников света светотехнического факультета.

Зав. кафедрой источников света, профессор

A.C. Федоренко

Декан светотехнического факультета, доцент

O.E. Железникова

российская федерация

Общество с ограниченной ответственностью

Научно Производственное Предприятие

« Саранский завод точных приборов»

430003, Республика Мордовия, город Саранск, ул.Рабочая 111, тел./факс(8342)

24-58-14,

ИНН: 1326196840, КПП:132601001, ОГРН:1061326015211, р/счет: 40702810400000004774, к/с 30101810300000000729, БИК 048952729 в ОАО КБ

"МПСБ"; р/счет: 40702810000030000162, к/с 30101810500000000752,БИК _ 048952752 в ОАО АКБ «АКТИВ БАНК», E-mail: [e-mail]

не ° ё/°с

|i о о. П к щ с 5 И й ) I

4\ Ъ о о\

шъ?*

от «

УТВЕРЖДАЮ

Директор OOCj) НПП «Саранский завод

в»

Р.В. Измайлов

2012 г.

»

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук Мышонко-ва А.Б. на тему: «Исследование характеристик светодиодных источников света при питании импульсным током»

Настоящий акт составлен в том, что результаты экспериментальных и расчетных исследований характеристик светодиодных источников света, проведенных Мышонковым А.Б. используются в научной и производственной деятельности ООО НПП «Саранский завод точных приборов» в следующем виде:

- методика и экспериментальная установка для исследования тепловых характеристик светодиодов и их зависимости от окружающих условий;

- набор экспериментальных данных о зависимостях тепловых и светотехнических характеристик светодиодов от параметров питающего тока.

Технический директор

А.Н. Волков