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

45

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