Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED

Analiza problemów metrologicznych

związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego

przez matrycę LED

Rozprawa doktorska

mgr inż. Joanna Parzych Politechnika Poznańska Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Zakład Metrologii i Optoelektroniki

Promotor:

prof. dr inż. hab. Anna Cysewska-Sobusiak

Poznań 2014

Spis treści 2

Spis treści

Streszczenie ……….… 4

Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia ………... 6

1. Wstęp ………..……….... 9

1.1. Określenie problematyki ………..………. 9

1.2. Teza, cele i zakres pracy ………... 11

2. Charakter fizyczny zjawiska luminescencji ………...….………... 14

2.1. Zjawisko luminescencji ……… 14

2.2. Zjawisko elektroluminescencji ………. 18

3. Diody elektroluminescencyjne ………... 19

3.1. Podstawy fizyczne działania diod elektroluminescencyjnych ………..…… 19

3.2. Zalety diod elektroluminescencyjnych w porównaniu do innych źródeł światła ………... 28

3.3. Przegląd rodzajów diod elektroluminescencyjnych dużej mocy ………….. 30

3.4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych ………. 33

3.5. Metody pomiaru optycznych parametrów diod LED oraz zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiaru ………... 36

4. Przetworniki CCD ………..… 39

4.1. Budowa i zasada działania przetworników CCD ……….… 39

4.2. Obszary zastosowań przetworników CCD ………... 49

5. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD ……….……… 54

5.1. Ograniczenia związane z charakterem zjawiska luminescencji oraz z budową przetwornika CCD ……… 54

5.2. Problemy metrologiczne występujące w wybranych badaniach z zastosowaniem układu: matryca LED – przetwornik CCD ………..…. 56

5.3. Proponowany nowy sposób uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania diod LED z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD ……….. 62

6. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD ………. 66

6.1. Struktura modelu pomiarowego ………... 66

6.1.1. Założenia do modelowania ……….. 66

6.1.2. Schemat funkcjonalny ……….. 67

6.1.3. Równanie przetwarzania ……….. 69

Spis treści 3

6.2. Eksperymentalna weryfikacja modelu pomiarowego …...……… 71

6.2.1. Stanowisko pomiarowe ……….………... 71

6.2.2. Oprogramowanie ……….. 72

6.2.3. Przebieg pomiarów, uzyskane wyniki i ocena ich niepewności ... 77

7. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD ... 118

7.1. Pomiary związane ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez matryce diod LED ..……….. 118

7.2. Badanie ograniczeń przetwornika CCD związanych z temperaturą ………. 125

8. Podsumowanie ..……….. 136

9. Literatura .……….………….. 139

Streszczenie 4

Streszczenie

Tematyka pracy dotyczy interdyscyplinarnego obszaru badań związanego z obserwacją i akwizycją promieniowania emitowanego ze źródeł elektroluminescencyjnych za pomocą przyrządu z przetwornikiem CCD. W pracy omówiono charakter zjawisk luminescencyjnych i podstawy fizyczne działania zarówno diod LED, jak i przetworników CCD, a także zaprezentowano ich obecne wybrane zastosowania.

Przeanalizowano ograniczenia występujące w procesie rejestracji złożonych zjawisk luminescencyjnych wynikające z charakteru tych zjawisk oraz budowy przetwornika CCD.

Omówiono problemy metrologiczne pojawiające się w pomiarach przeprowadzanych na potrzeby określonych aplikacji. Uwzględniono m.in. cel i rodzaj badań, istotne parametry pomiarowe i elementy nowości wnoszone przez proponowany sposób uzyskiwania danych o promieniowaniu emitowanym przez diody LED.

Zaprezentowano pomiarowy model detekcji promieniowania elektroluminescencyjnego w układzie: matryca LED – przetwornik CCD, na który składają się kolejno przedstawione następujące zagadnienia:

 założenia, cele i ograniczenia modelowania,

 schemat funkcjonalny modelu,

 równanie przetwarzania,

 stanowisko badawcze,

 program sterujący pomiarem zrealizowany w środowisku graficznym LabVIEW,

 ocena niedokładności wyniku pomiaru.

W pracy zawarto wyniki pomiarów związanych ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne oraz dotyczące badań wpływu temperatury na przetwornik CCD. Na podstawie uzyskanych wyników eksperymentalnych określono zależność pomiędzy natężeniem promieniowania pochodzącego z diod LED a wartością otrzymaną z zarejestrowanego obrazu. Zbadano również wpływ następujących wybranych czynników na wynik rejestracji kamerą CCD:

 odległości pomiarowej,

 kąta między osiami geometrycznymi diody LED i detektora,

 temperatury otoczenia,

 oświetlenia zewnętrznego,

 nastawy ostrości kamery CCD.

Streszczenie 5

Summary

The subject of the work concerns with the interdisciplinary area of the research related to the observation and aquisition of the radiation emitted by electroluminescence light sources using the device with a CCD sensor. The nature of luminescent phenomena and physical basis of the operation of both LED diodes and CCD imagers are discussed, and their present selected applications are shown.

The limitations with the registration process of the complex luminescent phenomena, which result from the nature of these phenomena as well as the structures of CCD devices have been analyzed. The metrological problems appearing in the measurements conducted for specific applications were discussed. Among the other things, the purpose and kind of a given study, the significant measuring parameters and the elements of novelty brought by the proposed way of obtaining the data about the radiation emitted by light-emitting diodes are taken into account.

The measuring model of electroluminescence radiation detection by a set:

LED matrix  CCD device is presented. The particular questions were considered as follows:

 the assumptions, aims and limitations of modeling,

 the functional scheme of the model,

 the processing equation,

 the measurement system,

 the control program implemented in LabVIEW graphical environment,

 the evaluation of uncertainty of measurement results.

On the one hand, the work contains the results of the measurements associated with the uniformity and intensity of the radiation emitted by light-emitting diodes, and on the other hand the results of evaluation of temperature influence on charge-coupled devices are included.

On the basis of the obtained experimental results, the relationship between the intensity of the radiation emitted by the LEDs and the value getting from the registered images has been established. Furthermore, the influence of the following selected factors as:

 measuring distance,

 angle between geometrical axes of LED diode and detector,

 ambient temperature,

 external illumination,

 sharpness setting of CCD camera

was also examined.

Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 6

Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia

Wielkości związane z emisją i detekcją promieniowania

Wielkości fotometryczne i radiometryczne E

natężenie napromienienia

E

fotonowe natężenie napromienienia E

natężenie oświetlenia

I

natężenie promieniowania

I

gęstość fotonów

I

światłość

K

fotometryczny równoważnik promieniowania L

luminancja energetyczna

L

luminancja fotonowa

L

luminancja świetlna

M

egzytancja energetyczna

M

egzytancja fotonowa

M

egzytancja świetlna

P moc promieniowania



strumień energetyczny



strumień fotonowy



strumień świetlny

V(  ) krzywa względnej czułości spektralnej (fotopowej) ludzkiego oka Wielkości związane z parametrami LED

I

prąd przewodzenia diody LED

T

temperatura barwowa

U, U

napięcie zasilania

U

wsteczne napięcie przebicia E

natężenie oświetlenia

I

światłość

Wielkości związane z parametrami przetwornika CCD

D zdolność detekcji

D

znormalizowana zdolność detekcji

f

funkcja określająca zależność między średnią jaskrawością a natężeniem

promieniowania

Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 7 I

natężenie prądu ciemnego

I

natężenie promieniowania uzyskane z pomiarów kamerą CCD k

, k

stałe funkcji f

n liczba pikseli o danym poziomie jasności

n

maksymalna liczba pikseli o danym poziomie jasności N jaskrawość (poziom jasności piksela)

N

średnia jaskrawość (średni poziomów jasności pikseli) N

liczba zgromadzonych ładunków elektrycznych NEP moc równoważna z szumami

P moc promieniowania

QE wydajność kwantowa

r odległość diody LED od detektora

R czułość bezwzględna

S

czułość świetlna

SNR stosunek sygnału do szumu

t

czas opóźnienia sygnału emitowanego przez diodę LED względem impulsu wyzwalającego

t

czas ekspozycji

t

czas integracji

t

czas trwania sygnału emitowanego przez diodę LED t

czas trwania impulsu wyzwalającego

T okres przebiegu sygnału emitowanego przez diodę LED T

okres przebiegu wyzwalającego

U

wartość analogowa napięcia U

wartość cyfrowa napięcia

X ekspozycja

Z końcowa wartość cyfrowa

 sprawność przesuwu ładunku

 czas odpowiedzi

Wielkości fizyczne

A absorpcja

DF fluorescencja opóźniona

F fluorescencja

IC konwersja wewnętrzna

ISC konwersja międzysystemowa

P fosforescencja

Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 8

Miary niedokładności wyniku pomiaru

k

współczynnik rozszerzenia u

niepewność standardowa typu A u

, niepewność standardowa typu B

u

złożona niepewność standardowa; niepewność standardowa łączna

u

niepewność rozszerzona

α poziom ufności

δE

względny błąd pomiaru natężenia oświetlenia δI względny błąd pomiaru prądu zasilania

δI

względny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD

δI

względny błąd pomiaru natężenia promieniowania (światłości) uzyskanego z pomiarów pośrednich przy użyciu luksomierza

δN względny błąd pomiaru poziomu jasności piksela δN

względny błąd pomiaru średniej jaskrawości

δr względny błąd pomiaru odległości diody LED od detektora δU względny błąd pomiaru napięcie zasilania

ΔE

bezwzględny błąd pomiaru natężenia oświetlenia ΔI bezwzględny błąd pomiaru prądu zasilania

ΔI

bezwzględny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD (przed korekcją)

ΔI

bezwzględny błąd pomiaru natężenia światła (światłości) uzyskanego z pomiarów pośrednich przy użyciu luksomierza

ΔN bezwzględny błąd pomiaru poziomu jasności piksela ΔN

bezwzględny błąd pomiaru średniej jaskrawości

Δr bezwzględny błąd pomiaru odległości diody LED od detektora Δt

bezwzględny błąd nastawy czasu ekspozycji

Δt

bezwzględny błąd nastawy czasu trwania sygnału emitowanego przez LED ΔT bezwzględny błąd nastawy temperatury

ΔU bezwzględny błąd pomiaru napięcia zasilania

Δ

I bezwzględny graniczny błąd pomiaru prądu zasilania

Δ

I

bezwzględny graniczny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD

Δ

U bezwzględny graniczny błąd pomiaru napięcia zasilania

Wstęp 9

1. Wstęp

1.1. Określenie problematyki

Historia diody elektroluminescencyjnej LED (Light Emitting Diode) sięga prawie 100 lat wstecz, gdy w 1927 roku O.W. Łosiew odkrył, że diody ostrzowe stosowane w odbiornikach radiowych emitują światło [100,133]. Następne lata przyniosły kolejne odkrycia [7,100,133], w tym m.in.:

 w 1936 roku G. Destriau jako pierwszy użył wyrażenia „elektroluminescencja”

w swoich badaniach nad emisją luminescencji ze sproszkowanego siarczku cynku ZnS,

 w latach pięćdziesiątych XX wieku H. Walker sztucznie wytworzył takie związki półprzewodnikowe, jak: InSB, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP oraz InAs,

 R. Braunstein obserwował emisję podczerwieni z GaAs i innych stopów,

 R. Blard i G. Pittman wykazali, że GaAs emituje promieniowanie podczerwone, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny,

 N. Holonyak Jr. wykonał pierwszą diodę emitującą promieniowanie widzialne – światło czerwone.

Jednak wszystkie te odkrycia znalazły praktyczne zastosowania dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku, gdy do masowej produkcji wprowadzono diody „czerwone”

na bazie GaAsP [32,100,118].

Podczas gdy diody LED wchodziły powoli na rynek komercyjny jako różnego rodzaju wskaźniki na potrzeby sygnalizacji, wyświetlaczy alfanumerycznych i pierwszych kieszonkowych kalkulatorów, W.S. Boyle i G.E. Smith (poszukując nowego sposobu rejestracji obrazu) zbudowali w 1969 roku pierwszy egzemplarz urządzenia o sprzężeniu ładunkowym czyli przetwornik CCD (Charge Coupled Device) [6,42,51]. Jego wymiary były niewielkie (zaledwie 8×8 pikseli), ale już kilka lat później, w 1973 roku, matryce CCD miały wymiary (100×100) pikseli i zaczęto je stosować na potrzeby obserwacji astronomicznych [57,114,140].

Znaczący postęp w technologii struktur półprzewodnikowych (w tym ich miniaturyzacja

oraz polepszenie parametrów optycznych i elektrycznych) przyczynił się do powstania

nowych obszarów aplikacyjnych zarówno diod LED, jak i przetworników CCD.

Wstęp 10

Liczne zalety współczesnych diod elektroluminescencyjnych powodują ich obecne coraz szersze zastosowanie nie tylko w celach oświetleniowych, ale również jako pomiarowe elementy różnego rodzaju przetworników i układów, m.in. w komunikacji optycznej, w badaniach spektrofotometrycznych, w monitorowaniu optycznych właściwości obiektów biologicznych, w czujnikach wielkości nieelektrycznych oraz w badaniach zjawisk luminescencyjnych.

Przetworniki CCD mają także coraz lepsze parametry optyczne, w szczególności takie jak: rozdzielczość, czułość, stosunek sygnału do szumu, dzięki czemu coraz częściej wykorzystuje się je w urządzeniach do obserwacji, rejestracji i gromadzenia danych pomiarowych w astronomii, medycynie, spektrometrii czy też w optoelektronice.

Spotykane w dostępnej literaturze zastosowania obejmujące jednoczesne wykorzystanie przetworników CCD jako fotodetektory i diod elektroluminescencyjnych jako fotoemitery, obejmują:

 systemy wizyjne do pomiaru lokalizacji robotów mobilnych: kamera z przetwornikiem CCD wykorzystana jest do rejestracji położenia robota względem znaczników orientacyjnych, których rolę pełnią diody elektroluminescencyjne [55];

 układy obrazowania fluorescencji takie jak LIFA (Fluorescence Lifetime Attachment), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), mikroskopia luminescencyjna, systemy detekcji i obrazowania fluorescencji procesów biologicznych i chemicznych, w których luminescencja wzbudzana jest światłem emitowanym przez diody LED a kamera CCD lub spektrometr z przetwornikiem CCD rejestruje to zjawisko [2,22,101,104];

 drogowe systemy pozycjonujące, w których kamera CCD pełni rolę detektora wzorów wyświetlanych z dużą częstotliwością przez matryce LED zamontowane w sygnalizatorach świetlnych na skrzyżowaniach dróg [60];

 monitorowanie optycznych właściwości obiektów biologicznych – diody LED emitujące promieniowanie czerwone, podczerwone lub ich kombinację użyte są do prześwietlania obiektów biologicznych, a kamera CCD rejestruje uzyskany obraz [40].

Na parametry optyczne i elektryczne LED i CCD wpływa specyfika ich procesów produkcyjnych. Nawet w ramach tej samej wytworzonej serii parametry poszczególnych elementów mogą się różnić, w szczególności dotyczy to światłości i barwy promieniowania emitowanego przez diody LED oraz czułości świetlnej w przypadku matryc CCD.

Zważywszy na rosnące zapotrzebowanie na zastosowania LED i CCD, istnieje konieczność

Wstęp 11

testowania tych elementów zarówno podczas ich produkcji, jak i w procesie wyboru do określonego celu. Szczegółowe określenie charakterystyk optycznych jest ważne zwłaszcza przy aplikacjach LED jako pomiarowych źródeł promieniowania optycznego oraz w konstrukcji czujników i urządzeń z ich udziałem. Niemniej istotne jest określenie zalet i wad cech przetworników CCD jako detektorów stosowanych w różnego rodzaju pomiarach, a także zdefiniowanie ich ograniczeń i stopnia w jakim wpływają na nie warunki zewnętrzne, np. temperatura.

1.2. Teza, cele i zakres pracy

W pracy podjęto badania, których przedmiotem są pomiary i rejestracja promieniowania emitowanego ze źródeł elektroluminescencyjnych przy użyciu urządzeń z przetwornikami CCD. Tematyka jest interdyscyplinarna, ale głównie skupiono się na:

 problemach metrologicznych dotyczących pozyskiwania danych o parametrach optycznych diod elektroluminescencyjnych za pomocą urządzeń optoelektronicznych, których głównym elementem składowym jest przetwornik CCD, takich jak cyfrowa kamera CCD,

 ograniczeniach, jakie na tego typu pomiary nakłada charakter badanego obiektu i zjawisko elektroluminescencji oraz budowa i zasada działania przetworników ze sprzężeniem ładunkowym.

Głównymi celami pracy są:

1. Zaproponowanie nowego sposobu uzyskiwania informacji o parametrach promieniowania emitowanego przez matrycę LED za pomocą kamery CCD, umożliwiającego otrzymywanie danych o wartości natężenia promieniowania poszczególnych diod LED w matrycach wielodiodowych.

2. Opracowanie pomiarowego modelu procesu detekcji promieniowania w układzie: dioda

LED – przetwornik CCD, w postaci schematu strukturalnego i zweryfikowanego

empirycznie równania przetwarzania wiążącego użyteczne w praktyce parametry

promieniowania emitowanego przez matrycę LED i parametry obrazu zarejestrowanego

przez kamerę CCD.

Wstęp 12

Postawiono następującą tezę:

Wykorzystanie pomiarowego modelu detekcji w układzie: matryca LED – przetwornik CCD umożliwia, po odpowiednich procesach przekształcania, wystarczająco wiarygodne uzyskanie z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD przydatnych w praktyce informacji o parametrach promieniowania emitowanego przez matrycę diod LED.

W celu potwierdzenia tezy, sformułowano i zrealizowano następujące zadania szczegółowe:

 analiza warunków umożliwiających rejestrację wybranych parametrów charakteryzujących promieniowanie emitowane przez diody LED;

 analiza ograniczeń rejestracji promieniowania optycznego wynikających z budowy i zasady działania przetwornika CCD;

 budowa układu pomiarowego: matryca LED – przetwornik CCD;

 opracowanie programu sterującego parametrami kamery CCD w środowisku graficznym LabVIEW;

 obserwacja i rejestracja obrazów jako efektów zjawisk elektroluminescencyjnych za pomocą kamery CCD;

 opracowanie sposobu uzyskiwania informacji o promieniowaniu diod LED z obrazów uzyskanych z kamery CCD;

 zbadanie wpływu temperatury na wynik rejestracji promieniowania za pomocą kamery CCD;

 analiza i interpretacja wyników uzyskanych z otrzymanych obrazów w celu określenia zależności pomiędzy natężeniem promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne a odpowiedzią kamery CCD.

Ważne z metrologicznego punktu widzenia podstawy fizyczne dotyczące działania diod LED i przetworników CCD oraz ich aktualne i perspektywiczne obszary zastosowań omówiono syntetycznie w rozdziałach 2, 3 i 4.

W rozdziale 2 przedstawiono wybrane zagadnienia teoretyczne dotyczące zjawiska luminescencji, w tym jego rodzaje i materiały w jakich zachodzi, ze szczególnym uwzględnieniem zjawiska elektroluminescencji.

Rozdział 3 zawiera opis podstaw fizycznych działania diod elektroluminescencyjnych,

ich podział oraz wykaz materiałów stosowanych do ich konstrukcji. Omówiono parametry

charakteryzujące diody LED (w tym parametry elektryczne i optyczne), również

w porównaniu do innych źródeł światła. Zaprezentowano przegląd diod LED dużej mocy,

Wstęp 13

ich konstrukcji, rodzajów i sposobu zasilania. Wyróżniono obszary, w których diody elektroluminescencyjne znajdują zastosowanie oraz omówiono jakie obecnie stosowane metody pomiaru parametrów optycznych diod LED, a także zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiarów ich charakterystycznych parametrów.

W rozdziale 4 omówiono budowę i zasadę działania przetworników CCD (z uwzględnieniem procesów fizycznych zachodzących w nich podczas pracy), ich podział oraz parametry elektryczne i optyczne. Wspomniano również o szumach występujących w przetwornikach CCD, ich rodzajach i wpływie, jaki wywierają na końcowy wynik rejestracji za pomocą kamery CCD. Przedstawiono obszary aplikacyjne przetworników CCD oraz porównano je z przetwornikami CMOS, które mają podobne zastosowania.

Wyniki własnych prac analitycznych, doświadczalnych i konstrukcyjnych zawarto głównie w rozdziałach 5, 6 i 7. Część wyników tych prac opublikowano [8087].

Rozdział 5 poświęcono analizie zagadnień związanych z procesem rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD. Uwzględniono zarówno ograniczenia powodowane charakterem zjawiska luminescencji, jak i zakłócenia oraz błędy wynikające z budowy i zasady działania przetwornika. Omówiono również problemy metrologiczne występujące w wybranych zastosowaniach zawierających układ: matryca LED – przetwornik CCD. Zwrócono uwagę na: zakłócenia i błędy powstające w torze pomiarowym, wpływ konkretnego zastosowania diod LED na wybór rodzaju ich badań oraz sposób pomiaru.

W rozdziale 6 zaprezentowano opracowany pomiarowy model detekcji. Przedstawiono założenia do budowy modelu i jego schemat funkcjonalny. Opisano wykonane stanowisko pomiarowe i opracowane oprogramowanie oraz zamieszczono wyniki przeprowadzonej eksperymentalnej weryfikacji modelu, a także wyniki badania wpływu wybranych czynników na rejestracje promieniowania optycznego. Zaprezentowano wyniki przeprowadzonej analizy niepewności wyników przetwarzania.

W rozdziale 7 skoncentrowano się na analizie wyników przeprowadzonych badań związanych odpowiednio ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia emitowanego promieniowania oraz z wpływem temperatury na wyniki przetwarzania.

W rozdziale 8 podsumowano zawarte w pracy badania oraz sformułowano wynikające

z nich wnioski końcowe i zalecenia aplikacyjne.

Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 14

2. Charakter fizyczny zjawiska luminescencji

2.1. Zjawisko luminescencji

Zjawisko luminescencji, zwane również jarzeniem lub zimnym świeceniem, jest to emisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym widma o natężeniu wyższym niż natężenie promieniowania cieplnego w danej temperaturze, a czas trwania tego zjawiska jest dłuższy od okresu emitowanej fali świetlnej wywołanej temperaturą. Każde ciało fizyczne może emitować promieniowanie widzialne, jeśli „podgrzejemy” je do odpowiedniej temperatury, znacznie wyższej od temperatury otoczenia (400 C i więcej). Natomiast w przypadku luminescencji przyczyna emisji promieniowania jest inna niż tylko wzrost temperatury emitującego źródła [10,27,37,53].

Luminescencję można podzielić, ze względu na czas jej trwania, na następujące trzy rodzaje [27,54,115]:

 fluorescencja – zjawisko trwające wyłącznie podczas działania czynnika wzbudzającego; czas życia fluorescencji mieści się w przedziale od ns do μs;

 fluorescencja opóźniona – zjawisko o dłuższym niż fluorescencja czasie życia, równym od kilku do kilkuset μs, ze względu na dodatkowe przejścia między stanami energetycznymi;

 fosforescencja – zjawisko, które trwa przez określony czas (nawet rzędu sekund) już po ustąpieniu działania czynnika wzbudzającego, przy czym czas ten zależy od temperatury.

Zjawisko luminescencji (emisji nadmiaru energii) zachodzi w efekcie wcześniejszego zaabsorbowania energii, która może być dostarczona w wyniku różnych procesów.

W zależności od sposobu wzbudzenia emisji promieniowania, można wyróżnić następujące rodzaje luminescencji [27,37,132]:

 bioluminescencja – najstarszy znany rodzaj luminescencji, występuje w przyrodzie, np. u świetlików;

 chemiluminescencja – emisja promieniowania, która towarzyszy reakcjom chemicznym zachodzącym w temperaturze pokojowej;

 elektroluminescencja – świecenie w wyniku działania stałego lub zmiennego pola

elektrycznego;

Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 15

 fotoluminescencja – emisja kwantu światła, wywołana absorpcją promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od ultrafioletu do podczerwieni o energii mniejszej niż energia wzbudzenia;

 rentgenoluminescencja – emisja promieniowania w efekcie wzbudzenia energią pochodzącą z promieniowania X;

 radioluminescencja – świecenie będące reakcją na działanie promieniowania α, β i γ;

 sonoluminescencja – zjawisko luminescencji wywołane ultradźwiękami;

 termoluminescencja – emisja promieniowania wynikająca ze zwiększenia temperatury (niższej niż temperatura żarzenia), poprzedzona absorpcją energii w efekcie napromieniowania;

 tryboluminescencja – luminescencja zachodząca pod wpływem działania czynników mechanicznych, np. tarcia, zginania, ściskania.

Na rysunku 2.1a przedstawiono schemat Jabłońskiego ilustrujący przejścia między poziomami energetycznymi, a na rys. 2.1b schemat układu wzajemnych położeń pasm absorpcji, fluorescencji i fosforescencji obrazujący prawo Stokesa [54,115].

a)

E n e rg ia

S

S

S

T A

F

DF P IC

IC

ISC ISC

b)

Długość fali [nm]

A F

P

E m is ja

A b s o rb a n cj a

Rys. 2.1. Schemat Jabłońskiego (a) i schemat układu wzajemnych położeń pasm absorpcji, fluorescencji i fosforescencji obrazujący prawo Stokesa (b)

Oznaczenia: linia gruba – poziomy elektronowe, linia cienka – poziomy oscylacyjne, strzałki ciągłe – procesy promieniste, strzałki przerywane – procesy niepromieniste, A – absorpcja, F – fluorescencja, DF – fluorescencja

opóźniona, P – fosforescencja, IC – konwersja wewnętrzna, ISC – konwersja międzysystemowa,

S

– podstawowy poziom energetyczny, S

, S

, T – wzbudzone poziomy energetyczne [27,37,115]

Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 16

Niezależnie od czynnika wzbudzającego – czy będzie to absorpcja fotonów w procesie fotoluminescencji, zmiana temperatury w termoluminescencji, czy też pole elektryczne działające na złącze p-n w procesie elektroluminescencji – w każdym przypadku mamy do czynienia najpierw z absorpcją energii przez elektrony (wzbudzenie na wyższy poziom energetyczny), a następnie z emisją nadwyżki energii w formie promienistej przy powrocie do stanu podstawowego. Przykład: wzbudzenie elektronu z pasma walencyjnego w półprzewodniku na poziom Fermiego (poziom metatrwały), a następnie do pasma przewodnictwa (lub bezpośrednio do pasma przewodnictwa w zależności od wielkości zaabsorbowanego kwantu energii) oraz jego powrót do stanu podstawowego z jednoczesną emisją promieniowania zachodzącą w wyniku rekombinacji elektronu z dziurą (rys. 2.2) [7,37,54,95,122].

a)

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne Energia [eV]

Długość fali [nm]

Szerokość pasma zabronionego Eg Poziom Fermiego

Poziom akceptorowy

b)

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne Energia [eV]

Pęd elektronów

Szerokość pasma zabronionego Eg Poziom Fermiego

Poziom akceptorowy Promieniowanie

Rys. 2.2. Schemat energetyczny półprzewodnika: a) poziomy energetyczne, b) przejście elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego z jednoczesną emisją promieniowania [95]

Długość fali emitowanego promieniowania jest zawsze równa bądź większa niż długość

fali promieniowania wzbudzającego, a ilość energii (liczba fotonów) jest mniejsza bądź

Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 17

równa energii zaabsorbowanej (zgodnie z prawem Stokesa zilustrowanym na rys. 2.1b) [54,114].

Materiały, które wykazują emisję promieniowania luminescencyjnego w zakresie od podczerwieni do nadfioletu nazywa się luminoforami. Luminofory dzielą się na organiczne i nieorganiczne. Wśród tych pierwszych można wyróżnić: związki aromatyczne i heterocykliczne, niektóre barwniki (np. fluoresceina, eozyna, rodamina, uranina) oraz związki biologiczne: aromatyczne aminokwasy (np. tryptofan), zasady nukleinowe w DNA i RNA (adenina, guanina, cytozyna, tymina, uracyl), barwniki roślinne (np. chlorofil, karotenoidy), niektóre witaminy i hormony. Druga grupa luminoforów (luminofory nieorganiczne) otrzymywana jest najczęściej metodą Lenarda w wyniku spiekania materiału podstawowego (np. siarczku, krzemianu czy fosforanu) z topnikiem i aktywatorem, którego rolę spełniają niewielkie ilości związków metali innych niż materiał podstawowy.

Luminofory nieorganiczne można podzielić na [7,27]:

 siarczkowe – stosowane w scyntylatorach, oscyloskopach oraz jako rentgenoluminofory, katodoluminofory i składniki farb świecących:

 siarczki wapniowców,

 siarczki kadmu i cynku,

 związki tlenosiarczkowe;

 selenkowe – głównie ZnSe oraz CdSe; elektroluminofory te stosowano w pierwszych produkowanych półprzewodnikowych wyświetlaczach 7-segmentowych;

 halofosforany – halofosforan wapnia; fotoluminofory stosowane jako luminofory w lampach fluorescencyjnych;

 wolframiany:

 magnezu – stosowane jako luminofor w niektórych świetlówkach,

 wapnia – stosowane w technice rentgenowskiej;

 luminofory na bazie związków itru:

 tantalanian itru aktywowany tulem lub niobem – stosowany do produkcji wysokoczułych folii wzmacniających RTG,

 tlenosiarczek itru aktywowany europem – stosowany jako czerwony luminofor w telewizji kolorowej.

Wśród luminoforów półprzewodnikowych istnieją dwa typy domieszkowania (rys. 2.3) [27]:

 ujemny (typ n) – domieszka wprowadzająca poziom akceptorowy (CL – centrum

luminescencji),

Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 18

 dodatni (typ p) – domieszka wprowadzająca poziom donorowy (pułapka).

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne Energia [eV]

Długość fali [nm]

Szerokość

pasma zabronionego Pułapka

Centrum luminescencyjne E

h

u

Rys. 2.3. Poziomy energetyczne w półprzewodnikach domieszkowanych typu n i p [27]

2.2. Zjawisko elektroluminescencji

Elektroluminescencja jest jednym z rodzajów luminescencji. Zjawisko to powstaje w wyniku dostarczenia do układu energii, której źródłem jest prąd elektryczny lub zewnętrzne pole elektryczne. U podstaw elektroluminescencji, tak samo jak w przypadku luminescencji, leży zjawisko rekombinacji promienistej, będące jednym ze sposobów przejścia układu z wyższego do niższego stanu energetycznego (ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego).

Zjawisko elektroluminescencji zachodzi w półprzewodnikowych diodach, w których

emisja światła występuje pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego w wyniku

rekombinacji dziur i elektronów w złączu p-n. Najbardziej efektywna elektroluminescencja

w półprzewodniku powstaje wówczas, gdy rekombinacja swobodnych nośników ładunku

w złączu p-n zachodzi przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Intensywność emisji

promieniowania zależy od wartości doprowadzonego prądu (zależność ta ma charakter

liniowy w szerokim zakresie wartości prądu), natomiast pochłanianie wewnętrzne

oraz całkowite odbicie wewnętrzne to zjawiska, które zakłócają proces elektroluminescencji

[7,32,132].

Diody elektroluminescencyjne 19

3. Diody elektroluminescencyjne

3.1. Podstawy fizyczne działania diod elektroluminescencyjnych

Dioda elektroluminescencyjna LED (Light Emitting Diode) jest półprzewodnikową strukturą optoelektroniczną zamieniającą energię elektryczną na energię świetlną. Zamiana ta zachodzi w złączu p-n w wyniku generacji i rekombinacji ładunków wywołanej zewnętrznym polem elektrycznym. Nadmiar energii powstały w efekcie rekombinacji promienistej nośników zostaje wyemitowany w postaci kwantu świata. W najprostszym wariancie dioda LED to pojedyncze złącze półprzewodnikowe p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

Schemat ogólny budowy takiej diody pokazano na rysunku 3.1 [7,25,32,37,38,66,132].

„Samo” złącze p-n powstaje w wyniku połączenia dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych: typu n i typu p (rys. 3.2).

Anoda Materiał Katoda

typu p.

Materiał typu n

Obszar aktywny

Rys. 3.1. Schemat ogólny budowy diody elektroluminescencyjnej [38,95,132]

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Pasmo zabronione Poziom donorowy

Poziom akceptorowy

Obszar aktywny

Typ n Typ p

Kierunek przepływu elektronów Kierunek przepływu dziur

Rekombinacja promienista

Wzbudzone elektrony

Dziury

Rys. 3.2. Schemat energetyczny półprzewodnikowego złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia

[66,122,132]

Diody elektroluminescencyjne 20

Półprzewodniki typu n mają nadmiar elektronów w paśmie walencyjnym, natomiast materiały typu p wykazują nadmiar dziur w tym paśmie. Spolaryzowanie złącza p-n w kierunku przewodzenia powoduje wstrzykiwanie elektronów wzbudzonych polem elektrycznym do pasma przewodnictwa półprzewodnika typu p oraz dziur do pasma walencyjnego materiału typu p. Ruch, zarówno elektronów, jak i dziur, jest spowodowany przez zewnętrzne pole elektryczne. Na styku obu rodzajów półprzewodników powstaje obszar aktywny, w którym wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami. Nadmiar energii, który powstaje w wyniku anihilacji pary elektron-dziura, jest emitowany w formie fotonu (kwantu światła) – następuje rekombinacja promienista. Szerokość pasma zabronionego określa wartość energii wypromieniowanej w procesie tej rekombinacji, czyli wartość energii wyemitowanej jest w przybliżeniu równa różnicy energii między poziomem wzbudzenia a poziomem podstawowym. Tak więc, wartość przerwy energetycznej jest charakterystyczna dla danego materiału półprzewodnikowego i umożliwia – dzięki doborowi udziału procentowego poszczególnych pierwiastków składowych w związkach półprzewodnikowych – wytwarzanie półprzewodników, których szerokości pasma zabronionego odpowiadają wartości energii od ultrafioletu po daleką podczerwień. To z kolei pozwala na wytwarzanie diod LED emitujących promieniowanie o praktycznie dowolnej długości fali (rys. 3.3) [7,25,32,37,66,122,132].

y

x

0.2 0.8

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

0.1

0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

430 380 480

490 500

520

540

560

600 620 580

700

biała

650

żółtozielona zielona

czerwona

fioletowa

Rys. 3.3. Trójkąt barw diod LED CIE (The Commission Internationale de L'Éclairage) [3,19,32,96,100,122,132]

Diody elektroluminescencyjne 21

Złącze p-n jest głównym elementem diody LED, natomiast inne podstawowe elementy tworzące jej strukturę to (rys. 3.4) [7,76,95,121,137]:

 soczewka – wpływa na końcowy kształt wiązki promieniowania emitowanego przez diodę; pełni również funkcje ochronne (wytrzymałość mechaniczna, termiczna oraz odporność na promieniowanie o dużym natężeniu),

 odbłyśnik (reflektor) – kształtuje wiązkę światła emitowanego przez złącze w pierwszej fazie; im wyższy odbłyśnik, tym bardziej skupiona wiązka dociera do soczewki; w zależności od przeznaczenia diody, stosuje się odbłyśnik różnej wysokości bądź nie stosuje się go wcale,

 podłoże – jednym z jego głównych zadań jest oddawanie ciepła wytworzonego przez złącze do radiatora lub otoczenia, a cechuje go neutralność elektryczna.

Chip LED

Anoda Katoda

Reflektor/Odbłyśnik

Soczewka Złote łącze

Rys. 3.4. Budowa konwencjonalnej diody elektroluminescencyjnej [25,62,78,96,97]

Te cztery elementy: soczewka, odbłyśnik, złącze p-n i podłoże mogą tworzyć różne konstrukcje: płasko-równoległą, półsferyczną lub kulę Weierstrassa. W zależności od wybranej konstrukcji uzyskuje się różne rozkłady przestrzenne natężenia promieniowania.

W przypadku konstrukcji płaskiej emitowane promieniowanie ma taką samą wartość we wszystkich punktach płaszczyzny złącza (rys. 3.5), ale układ ten jest mało wydajny ze względu na straty wywołane odbiciem wewnętrznym. Konstrukcja półsferyczna (rys. 3.6) daje lepsze efekty, gdyż natężenie promieniowania izotropowego jest większe ze względu na możliwość eliminacji odbicia wewnętrznego przez dobór odpowiedniej średnicy złącza.

W przypadku konstrukcji kuli Weierstrassa (rys. 3.7) natężenie promieniowania jest jeszcze

większe niż w pozostałych konstrukcjach [19,95,100].

Diody elektroluminescencyjne 22

Płaszczyzna złącza Półprzewodnik

Powietrze

E0 a) b)

Rys. 3.5. Schemat diody o konstrukcji płasko-równoległej: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95]

Półprzewodnik Powietrze

Złącze D

d

j

b j

a) b)

Rys. 3.6. Schemat diody o konstrukcji półsferycznej: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95]

R O1

O2 O Powietrze

Półprzewodnik

Złącze E( )j

j a) b)

Droga promieni

Rys. 3.7. Schemat diody o konstrukcji kuli Weierstrassa: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95]

Poza możliwościami doboru pożądanej barwy emitowanego promieniowania oraz odpowiedniej charakterystyki kątowej diody LED mają wiele innych zalet, do których należą [20,25,76,78,113,123]:

 energooszczędność (niskie napięcie zasilania i mały pobór mocy),

 długi czas życia (od 50 000 do 100 000 godzin),

 duża trwałość (mała awaryjność, wysoka odporność na uderzenia i wibracje oraz na wysokie i niskie temperatury otoczenia),

 szeroki zakres wartości emitowanego strumienia świetlnego,

 ukierunkowany strumień świetlny (określony kąt bryłowy rozsyłu światła; brak strat

związanych z rozsyłem światła na boki),

Diody elektroluminescencyjne 23

 stosunkowo duża skuteczność świetlna (skuteczność świetlna zależy od temperatury, przy czym maksymalna wartość temperatury wynosi 100 °C),

 wysoki współczynnik oddawania barw (nastawiany współczynnik oddawania barw CRI, nawet do wartości 95),

 szeroki zakres temperatury barwy bieli,

 niski poziom emisji promieniowania podczerwonego (nie dotyczy diod IR) oraz brak lub niski poziom emisji promieniowania ultrafioletowego,

 małe wymiary (nawet rzędu μm), co daje możliwość formowania dowolnie dużych zespołów (matryc LED),

 krótki czas odpowiedzi optycznej: czas włączenia 100 ns, czas wyłączenia 200 ns,

 łatwość w sterowaniu i obsłudze: możliwość integracji z elektronicznymi układami scalonymi oraz zasilanie i sterowanie w identyczny sposób jak ma to miejsce w różnych urządzeniach elektronicznych,

 niska temperatura pracy,

 tania produkcja masowa,

 przyczynianie się do ochrony środowiska ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na energię oraz łatwość utylizacji.

Parametrami elektrycznymi diod LED podawanymi w katalogach są przede wszystkim [32,37,123]:

 wartości natężenia prądu przewodzenia oraz maksymalnego prądu przewodzenia (do kilkudziesięciu mA),

 natężenie prądu wstecznego (do kilkudziesięciu V),

 napięcie przewodzenia (do kilku V),

 maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V),

 pojemność doprowadzeń i pojemność złącza,

 moc rozproszona i całkowita moc tracona,

 zakres temperatury pracy (od 30 C do +65 C).

Natomiast podawane w katalogach parametry optyczne diod LED, to [25,32,37,123]:

 rozkład kątowy emitowanego promieniowania,

 kąt rozsyłu (kąt świecenia),

 długość fali dominującej,

 długość fali dla maksymalnej wartości natężenia napromienienia,

Diody elektroluminescencyjne 24

 widmowa szerokość połówkowa,

 światłość (dla diod LED emitujących promieniowanie widzialne).

Na rysunku 3.8a przedstawiono przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe diod LED, a na rys. 3.8b charakterystyki widmowe, których przebieg zależy od materiału półprzewodnikowego, z jakiego jest wykonana dioda LED.

a) Natężenie [mA]

Napi cie [V] ę

60

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Czerwona

Żółta

Zielona Niebieska

50 40 30 20 10

0

b)

Natężenie [j.w.]

Długość fali [nm]

GaN GaP:N

GaAs P

GaP

GaP:ZnO

GaAs

GaAs P

GaAsP GaAs P

GaAsP

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0,5

Rys. 3.8. Przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe (a) oraz widmowe (b) diod LED [32,90,122]

Diody LED są źródłami promieniowania quasimonochromatycznego, a więc wytwarzają promieniowanie w stosunkowo wąskim zakresie widma. Chociaż możliwe jest wytworzenie diody emitującej prawie każdą barwę światła (rys. 3.3 i 3.8), to nie można bezpośrednio uzyskać światła białego, bazując na pojedynczym złączu p-n. Spowodowane jest to naturą światła białego, które jest wrażeniem wzrokowym powstałym w wyniku pobudzenia siatkówki oka promieniowaniem zawierającym długości fali z całego zakresu widma widzialnego. W celu uzyskania „białej” diody LED stosuje się trzy podstawowe metody [32,38,61,62,78,96,97,118,134]:

1) mieszanie światła kilku barw – struktury trzech diod LED o różnych barwach

(czerwona, zielona i niebieska) są umieszczone w jednej obudowie; światło białe

powstaje w wyniku mieszania barw w odpowiednich proporcjach,

Diody elektroluminescencyjne 25

2) konwersję długości fali z wykorzystaniem luminoforu – pojedynczą diodę LED, która emituje promieniowanie z zakresu nadfioletu (UV), pokrywa się trzema warstwami luminoforu, z których każda konwertuje promieniowanie UV na jedną z trzech barw podstawowych; w efekcie wymieszania tych barw powstaje światło białe, 3) metodę hybrydową, która jest połączeniem metod 1 i 2.

We wszystkich technikach wykorzystuje się podstawowe prawo kolorymetrii, czyli sumowanie podstawowych barw światła: czerwonego, zielonego i niebieskiego RGB (Red Green Blue) z zachowaniem warunku ścisłych stosunków ilościowych między natężeniem poszczególnych barw składowych. Ponadto, ze względu na odczuwanie odcieni barwy światła białego jako barwy ciepłej lub zimnej, powszechnie stosuje się podział barw światła białego na cztery kategorie, w zależności od wartości temperatury barwowej T B :

 barwa intensywnie ciepłobiała (T B od 2500 K do 2800 K),

 barwa ciepłobiała (T B od 2800 K do 3500 K),

 barwa biała (T B od 3500 K do 5000 K),

 barwa dzienna (T _B większa od 5000 K).

Pierwszymi materiałami półprzewodnikowymi, których użyto do wytworzenia diody elektroluminescencyjnej, były: węglik krzemu (SiC) oraz siarczek cynku (ZnS) domieszkowany miedzią (Cu). Wraz z postępem technologii zaczęto stosować inne materiały, takie jak: antymonek indu (InSb), fosforek glinu (AlP), aresenek glinu (AlAs), antymonek glinu (AlSb), fosforek germanu (GaP), arsenek germanu (GaAs), antymonek germanu (GaSb), fosforek indu (InP) oraz arsenek indu (InAs). Obecnie diody LED są wytwarzane z materiałów bazujących głównie na arsenkach, azotkach i fosforkach germanu, glinu lub indu oraz ich związkach potrójnych i poczwórnych domieszkowanych m.in. magnezem bądź krzemem (np. AlInGaP, InGaN, AlGaAs/GaAs, InGaN/GaN, InGaAlP/InP, GaN/InGaN/AlGaN) [3,7,10,32,78,90,95,96,100,118,122,133]. Na rysunku 3.9 przedstawiono część z wymienionych materiałów wraz z długością emitowanej fali i odpowiadającą jej barwą promieniowania luminescencyjnego, a w tabeli 3.1 zestawiono barwy z długościami fali oraz odpowiadającymi im wartościami energii.

Podziału diod LED można dokonać na kilka sposobów:

 ze względu na rodzaj materiału z jakiego wykonano warstwy p i n [7,96,100,118]:

 diody homozłączowe, w których oba obszary są wytworzone z tego samego półprzewodnika silnie domieszkowanego tak, aby uzyskać typ p i typ n;

charakteryzują się małą sprawnością,

Diody elektroluminescencyjne 26

 diody heterozłączowe, w których do wytworzenia złącza p-n użyte są dwa różne półprzewodniki; charakteryzują się dużą sprawnością,

 ze względu na zakres spektralny emitowanego promieniowania (tab. 3.1) [118]:

 diody UV (ultrafiolet),

 diody VIS (promieniowanie widzialne),

 diody IR (podczerwień),

 diody RGB (trójkolorowe),

 diody RGBA (trójkolorowe rozszerzone o barwę bursztynową),

 diody emitujące światło białe,

 ze względu na wartość mocy [100]:

 diody konwencjonalne,

 diody superluminescencyjne SLED (Superluminescence LED),

 lampy LED,

 moduły LED,

 diody dużej mocy,

 ze względu na wymiary [134]:

 diody konwencjonalne (o średnicy 5 mm i 3 mm),

 diody do montażu powierzchniowego SMD (Surface Mount Device),

 diody o bardzo małych wymiarach: zawierające w strukturze studnię kwantową QW (Quantum Wells) o wymiarach od 10 nm do 20 nm i kropki kwantowe QD (Quantum Dots) o wymiarach rzędu nm,

 ze względu na strukturę [100,118]:

 diody z warstwą odporną na rozciąganie i ściskanie (LED with Tensile and Compressive Strained), np. TSBC (Tensile Straine Barier Cladding),

 diody ze złączem tunelowym p ⁺ /n ⁺ TJ (Tunel Junction),

 diody z elektronową warstwą rezerwową,

 diody ze strukturą flip-chip,

 diody z wnęką nierezonansową,

 diody z wnęką rezonansową i kryształem fotonicznym,

 diody z warstwą typu n na dole struktury (n-down structure LED),

 diody z warstwą typu p na dole struktury (inverted p-down LED)

 ze względu na rodzaj obudowy: obudowa może mieć różny kształt i może być

kolorowa lub bezbarwna).

Diody elektroluminescencyjne 27

Ponadto wśród diod białych można rozróżnić: diody, w których wykorzystano konwersję długości fali (dichromatyczne i polichromatyczne) i diody wykorzystujące mieszanie barw (trójkolorowe i trójkolorowe rozszerzone), diody wysokiej jasności świecenia o wartości światłości większej niż 0,2 cd (diody HB) oraz diody białe o różnej temperaturze emitowanej barwy (np. diody ciepłobiałe).

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 λ [μm]

3,0 2,5 2,0 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 Pasmo

Barwa

Energia

Materiał

Pasmo widzialne

Fiolet 390-455nm Niebieski 455-490nm Cyjan 490-515nm Zielony 515-760nm Żółty 570-600nm Pomarańczowy 600-625nm Czerwony 625-720nm Promieniowanie podczerwone od 720mn

GaAs (arsenek galu)

GaAsP

GaAlAs

SiC

(fosforek galu)

(fosfoarsenek galu)

(arsenek glinowo-galowy)

(węglik krzemu)

Eg [eV]

GaP

Eg [eV]

Eg [eV]

Eg [eV]

Eg [eV]

Eg [eV] Ultrafiolet

10-380mn

λ [ m]n

Rys. 3.9. Poglądowe przedstawienie właściwości materiałów, z których wykonuje się diody elektroluminescencyjne [95]

Tab. 3.1. Rodzaje emitowanego przez LED promieniowania i odpowiadające im długości fali oraz energia fotonów [3,7,10,32,78,90,100,118,122]

Rodzaje emitowanego przez LED promieniowania

Długość fali

 [nm]

Energia fotonu h  [eV]

promieniowanie UV < 390 > 3,18

światło fioletowe 390 – 455 2,72 – 3,18 światło niebieskie 455 – 490 2,53 – 2,72 światło cyjanowe 490 – 515 2,41 – 2,53 światło zielone 515 – 570 2,18 – 2,41

światło żółte 570 – 600 2,06 – 2,18

światło pomarańczowe 600 – 625 1,98 – 2,06 światło czerwone 625 – 720 1,72 – 1,98

promieniowanie IR > 720 < 1,72

Diody elektroluminescencyjne 28

3.2. Zalety diod elektroluminescencyjnych w porównaniu do innych źródeł światła

Każdy obiekt może odbijać lub rozpraszać padające na niego światło, może też je wysyłać.

Obiekty, które emitują promieniowanie widzialne nazywa się źródłami światła. Dzielą się one na naturalne i sztuczne źródła światła. Do pierwszego rodzaju zalicza się: źródła atmosferyczne i kosmiczne (Słońce i inne ciała niebieskie, pioruny i błyskawice, zorzę polarną), źródła bioluminescencyjne (świetliki, pleśnie bioluminescencyjne, ryby głębinowe) oraz źródła ziemskie (czynne wulkany i ich lawę). Drugi typ obejmuje termiczne źródła światła (lampy halogenowe, lampy łukowe, żarówki), źródła, w których światło uzyskiwane jest w procesie spalania (pochodnie, świece, lampy olejowe, lampy naftowe, lampy karbidowe, lampy gazowe), źródła chemiczne, w których światło jest wynikiem zachodzenia zjawisk luminescencyjnych: chemiluminescencji, fluorescencji, fosforescencji (lampy fluorescencyjne) oraz źródła, w których promieniowanie jest pochodną emisji z elektronów w atomie lub ciele stałym (diody elektroluminescencyjne, lampy kwarcowe, lampy rtęciowe, lasery, masery). Kryteriów podziału źródeł światła jest więcej, np. ze względu na źródło zasilania (energia elektryczna, gaz, spalanie, procesy chemiczne), ze względu na szerokość spektralną (szerokopasmowe, o wielu liniach widma, o pojedynczej linii widmowej), czy też ze względu na zakres spektralny emitowanego promieniowania [7,132].

Każde z wymienionych źródeł światła ma swoje zalety i wady. Diody LED cechują się szeregiem istotnych parametrów, dzięki którym mogą być konkurencyjne w porównaniu z innymi źródłami, z punktu widzenia wymagań stawianych przez technikę oświetleniową i liczne inne zastosowania. Do tych parametrów należy zaliczyć [39,6163,76,78,135]:

 skuteczność świetlną dochodzącą do 200 lm/W (w oprawie do 150 lm/W),

 sprawność energetyczną większą niż mają żarówki (8%) i porównywalną ze sprawnością źródeł fluorescencyjnych (25%) [39],

 wysoką trwałość i długi czas życia – mogą pracować kilkadziesiąt razy dłużej niż żarówki [91,124],

 możliwość prostej zmiany wartości natężenia światła, ze względu na liniową charakterystykę świetlną),

 możliwość doboru wartości współczynnika oddawania barw CRI (do 95 CRI), a w związku z tym [61,91,124]:

 szeroki zakres temperatury barwy bieli,

Diody elektroluminescencyjne 29

 różnorodność barw emitowanego światła,

 charakterystykę widmową na tyle wąską, by oko ludzkie odbierało światło jako jednobarwne (rys. 3.10) [7,19,78].

1

2 3 4

Rys. 3.10. Porównanie krzywej względnej czułości spektralnej ludzkiego oka (1), widma spektralnego niebieskiej diody LED (2), widma spektralnego typowej lampy wyładowczej (3) oraz przykładowej odpowiedzi fotodetektora skorygowanego spektralnie do widmowej skuteczności biologicznej widzenia fotopowego (4) [25]

Ponadto diody LED cechują liczne zalety użytkowe [134]:

 w przeciwieństwie do źródeł fluorescencyjnych nie zawierają rtęci, a charakterystyka widmowa „białych” diod LED nie obejmuje szkodliwego promieniowania UV [61,63, 76,123],

 konstrukcja z założenia prowadzi do miniaturyzacji, co ma istotne znaczenie zarówno w dekoracyjnej technice oświetleniowej, jak i w badaniach naukowych oraz zastosowaniach medycznych [76,78,91,124],

 praktycznie, zaraz po załączeniu zasilania, świecą z pełną mocą (brak opóźnienia cechującego lampy fluorescencyjne) [61,63],

 strumień świetlny może być prawie dowolnie ukierunkowany [76,91],

 oszczędne zużycie energii elektrycznej, a więc nie przyczynianie się znacząco

do emisji szkodliwych gazów [76,91].

Diody elektroluminescencyjne 30

3.3. Przegląd rodzajów diod elektroluminescencyjnych dużej mocy

Jak wspomniano w rozdziale 3.1, wśród diod elektroluminescencyjnych o dużej mocy promieniowania wyróżnia się pięć rodzajów. Są to: pojedyncze diody SLED o wysokiej wartości promieniowania luminescencyjnego, lampy LED oraz matryce diod LED, które dzielą się na dwa typy: moduły LED i diody LED mocy.

SLED mają strukturę podobną do struktury diody krawędziowej i lasera półprzewodnikowego. Ich działanie opiera się na mechanizmie emisji wymuszonej, ale bez sprzężenia zwrotnego. Duże straty optyczne na jednym z końców zapobiegają odbiciom, a więc w konsekwencji także akcji laserowej. Charakteryzują się bardzo dużą luminescencją, dobrą koherencją przestrzenną, brakiem koherencji czasowej i mają duże moce optyczne.

Lampy LED mają formę umocowanego na cokole sześcianu lub czworościanu z zamontowanymi diodami, co pozwala na umieszczenie ich w zwykłej oprawie oświetleniowej stosowanej do żarówek bądź lamp halogenowych. Ze względu na pochodzenie światła z wielu punktów (od poszczególnych diod), problemem jest uzyskanie jednolitego strumienia świetlnego. Jako rozwiązanie stosuje się różnego typu konstrukcje opraw oświetleniowych, np. zestaw: reflektor paraboliczny, reflektor stożkowy i soczewki fresnelowskie [26].

Moduły LED tworzą zestawy od kilku do nawet kilkudziesięciu diod umieszczonych na płytce drukowanej wykonanej ze sztywnego lub elastycznego materiału, na której są również umieszczone elementy układu zasilającego. Można je podzielić na dwa główne typy:

zawierające skupiający światło układ optyczny i niezawierające elementów układu optycznego. Mogą m.in. mieć postać sztywnej linijki diod, np. moduł LINEARlight (32 diody na sztywnej płytce o wymiarach 448 mm × 10 mm × 4 mm), elastycznej taśmy, np. moduł LINEARlight Flex (od 120 do 600 diod na elastycznej taśmie samoprzylepnej o długości nawet 8 400 mm), panelu z podwójnym rzędem diod, np. moduł EFFECTlight lub łańcucha składającego się z paneli diodowych złożonych z dwóch diod, np. moduł BACKlight. Mogą mieć również formę okrągłą (diody montowane na okrągłej sztywnej płytce drukowanej, np. moduł COINlight), podświetlanej tabliczki czy oprawy wskaźnikowej np. moduły LEDtag i MARKERlight oraz płaskiego modułu ze światłowodem w kształcie płytki [112,113].

Moduły diodowe pozwalają na podział na mniejsze jednostki oraz na rozbudowę

w większe systemy poprzez łączenie szeregowe (przy zasilaniu źródłem prądowym)

lub łączenie równoległe (przy zasilaniu źródłem napięciowym). Typowe wartości napięcia

Diody elektroluminescencyjne 31

zasilania to 10 V lub 24 V, a w przypadku zasilania ze źródła prądowego: 350 mA lub 700 mA [112,113].

Diody LED mocy mają postać matrycy diod zamontowanej w jednej oprawie, np. grupy sześciu kryształów półprzewodnikowych niezależnie od siebie generujących promieniowanie, zabudowanych w jednej obudowie. O parametrach strumienia świetlnego generowanego przez tego rodzaju diody decydują cztery poziomy optyczne [38]:

 poziom pierwszy – "optyka" w chipie półprzewodnikowym (eliminacja bądź zmniejszenie wewnętrznego odbicia światła w celu zwiększenia wewnętrznej sprawności diody),

 poziom drugi – parametry optyczne obudowy (dopasowanie współczynnika załamania światła na granicy półprzewodnik – powietrze, zwiększenie sprawności zewnętrznej diody, funkcje ochronne),

 poziom trzeci – "optyka" instalowana nad obudową diody (definiowanie kąta rozsyłu promieniowania przy użyciu soczewki lub reflektora i uchwytu),

 poziom czwarty – oprawa oświetleniowa (wytwarzanie jednolitego strumienia świetlnego, odpowiednie wymieszanie i rozproszenie światła).

Sterowanie pojedynczą diodą LED można zrealizować na trzy sposoby: przy zasilaniu prądem stałym poprzez zmianę wartości prądu diody, a przy zasilaniu impulsowym poprzez zmianę wartości wysokości impulsu prądu oraz poprzez zmianę wartości współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego PWM (Phase Wave Modulation) [36,38,136]. Do zasilania diod LED stosuje się dwa rodzaje zasilaczy: liniowe, bazujące na transformatorach pracujących przy częstotliwości sieci zasilającej, oraz typu SMPS (Switched Mode Power Supplies), pracujące przy częstotliwości wyższej niż częstotliwość sieci zasilającej.

Natomiast sterowanie matrycami LED zależy od sposobu połączenia rezystorów i diod w matrycę. Wyróżnia się trzy podstawowe typy połączenia [36,39,136]:

 układ ekonomiczny  może występować nierównomierny dopływ prądu do poszczególnych diod, ale awaria jednej z nich nie wpływa na pracę pozostałych,

 układ podstawowy  można dokładnie określić wartość prądu płynącego przez każdą z gałęzi, natomiast awaria pojedynczej diody w danej gałęzi wpływa na jej pracę, ale nie ma wpływu na prądy płynące przez sąsiednie gałęzie,

 układ bezpieczny  każda dioda jest sterowana indywidualnie, a przy awarii

pojedynczej diody pozostałe diody świecą, ale diody połączone równolegle z diodą

uszkodzoną są przesterowane.

Diody elektroluminescencyjne 32

W przypadku układów ekonomicznego i bezpiecznego awarie są trudne do wykrycia [36,39].

Niezależnie od sposobu zasilania i typu zasilacza układ musi charakteryzować się:

 użyteczną trwałością porównywalną z trwałością diod LED,

 konstrukcją stworzoną do ciągłej pracy przy pełnym obciążeniu,

 odpornością na temperaturę wyższą niż temperatura otoczenia (praca w szerokim zakresie temperatury: od 40 C do +60 C),

 możliwością korekcji współczynnika mocy i nastawy wartości strumienia świetlnego (w przypadku zastosowań w technice oświetleniowej).

Ponadto diody LED dużej mocy wymagają dobrego odprowadzania ciepła, które wydziela się w chipie diody  w 50% następuje jego rozpraszanie przez promieniowanie cieplne i w 50%

przez konwekcję. Tak duża ilość ciepła w rozpraszaniu konwekcyjnym wymaga chłodzenia, gdyż wydajność oraz trwałość diody zależą od temperatury złącza. Wzrost temperatury pracy powoduje zmniejszenie napięcia przewodzenia diody, przez co powstaje różnica między napięciem zasilania a napięciem przewodzenia. Aby zabezpieczyć układ przed tego typu zmianą napięcia przewodzenia, do układu włącza się rezystor połączony szeregowo z diodą LED (rys. 3.11). Jego stabilizujący wpływ jest tym wyraźniejszy, im większy jest spadek napięcia przewodzenia diody, gdyż na rezystorze odkłada się powstała różnica napięć [38,44,76,123,136138].

Dioda LED U

R

Rys. 3.11. Dwójnik dioda LED  rezystor stosowany w celu zabezpieczenia diody przed wahaniami napięcia zasilania

Firmy zajmujące się produkcją diod LED mocy stosują różne konstrukcje w celu uzyskania określonych parametrów. W zależności od zastosowanych rozwiązań technologicznych otrzymuje się diody o mocy od 1 W do około 2,5 W, a w przypadku paneli diodowych do około 5 W, natomiast otrzymany strumień świetlny osiąga wartości od 65 lm do 70 lm, a nawet 160 lm przy wartości prądu od 700 mA do 1000 mA, co odpowiada wydajności świetlnej w zakresie (30 – 40) lm/W [ 38,112,113 ].

Na rysunku 3.12 przedstawiono budowę standardowej diody LED mocy, a na rys. 3.13

pokazano przykłady dostępnych w sprzedaży konstrukcji: lampy LED w oprawie

dostosowanej do konwencjonalnych żarówek firmy Philips, diody LED mocy firmy Osram

i modułów LED firmy Luxeon [38].

Diody elektroluminescencyjne 33

a) b)

REFLEKTOR

CHIP NA PODSTAWCE

PODŁOŻE SZKLANA SOCZEWKA

Kontakt katodowy

Soczewka z tworzywa

Chip LED

Spoiwo

Złoty drut

Silikon chroniący przed wyładowaniami elektrostatycznymi Element z miedzi

odprowadzający ciepło z chipa

Rys. 3.12. Schemat budowy diody LED mocy: a) przekrój przez diodę XLamp b) przekrój przez diodę Luxeon [38,6163,138]

a) b) c)

d) e)

Rys. 3.13. Przykłady lamp elektroluminescencyjnych: Philips Master LED (a) i Osram Opto Semiconductors Golden DRAGON (b), diody dużej mocy XI3535 (c) oraz modułów LED: Luxeon Ring (d) i Luxeon (e)

[38,62,126,127,139,143,145]

3.4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych

Obszary zastosowań diod LED są już obecnie różnorodne (w tym spektrometria, medycyna,

optoelektronika, telekomunikacja, technika oświetleniowa), a wraz z postępem badań

i rozwojem technologicznym pojawiają się wciąż coraz nowsze i ciekawsze sposoby

ich wykorzystania (rys. 3.14).