Белые светодиоды
Cовременный рынок светодиодов развивается с огромной скоростью. Технология, вынашиваемая годами, получила наконец, мощный импульс. Этому способствовало несколько причин и главная из них — общемировой тренд перехода к «зеленым», энергоэффективным технологиям. Своеобразную «гонку» мировые производители светодиодов начали еще в 90-х годах прошлого века. Постоянно открывались новые цвета свечения светодиодов, увеличивались показатели светоотдачи, наращивался объем продукции. К 1999 г. ежемесячный выпуск зеленых и голубых светодиодов компаниями Toyoda Gosei, Nichia, Cree, Hewlett Packard составил около сотни миллионов штук. А поскольку белого свечения светодиода ученым удалось добиться только в 1997 г., их производство на конец XX в. еще было не налажено [1].
В настоящее время на рынке представлено огромное количество светодиодов. Естественно, возникает проблема выбора. Как определить, какие изделия качественные? Каждая фирма хвалит свою продукцию, но реклама есть реклама. Во многом помощь потребителям и разработчикам светотехнических изделий оказывает журнал «Полупроводниковая светотехника», в каждом номере которого публикуются результаты исследований продукции различных фирм — производителей светодиодов [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Такие статьи являются хорошим дополнением к большому объему публикаций рекламного характера. Кроме того, есть и обобщенная характеристика современного уровня развития светодиодов [12], а также материалы, указывающие «подводные камни», поджидающие разработчиков на пути создания светодиодных осветительных устройств [13].
В данной статье приведен сравнительный анализ, выполненный по результатам экспериментальных исследований светодиодов фирм Cree, Seoul и Refond, проведенных в лаборатории оптоэлектроники ОАО «НИИПП» (г. Томск). В качестве объектов исследования были выбраны по 40 шт. светодиодов:
- MX6AWT-A1-0000-000BB1 (Cree);
- KWT728-S (Seoul);
- WNFA50DS-FF (Refond).
Все образцы (рис. 1) были взяты из одной партии, то есть рассматривалась однобиновая упаковка светодиодов каждого типа. Это коммерческие приборы со средней световой эффективностью около 100±10 лм/Вт. Они удобны для ручной и автоматизированной сборки светильников малой и средней мощности в матричном исполнении. Вообще говоря, перечисленные приборы являются светодиодными модулями из малого количества излучающих чипов. Но, следуя технической документации изготовителей, будем называть их светодиодами (СД).

Рис. 1. Внешний вид светодиодов:
а) Cree (MX6AWT-A1-0000-000BB1),
б) Seoul (KWT728-S),
в) Refond (WNFA50DS-FF)
Кристаллы (излучающие чипы) исследованных СД изготовлены на основе гетероструктур, активная область которых содержит пять квантовых ям InGaN/GaN. Светодиоды Seoul и Refond выполнены в корпусе SMD (Surface Mounted Devices), используемом для поверхностного монтажа, и представляют собой сборки трех параллельно соединенных чипов с номинальным током 20 мА для каждого. Светодиод Cree выпускается также в корпусе SMD, но является сборкой из пяти чипов с номинальным током 20 мА для каждого. Следует отметить, что для защиты от перегрузок в конструкции светодиодов Cree присутствует параллельно включенный диод Зенера.
Заявленный производителем угол излучения по уровню 0,5 (2Θ0,5) для всех рассматриваемых СД одинаков и составляет 120°, что позволяет сравнивать их по значению максимальной силы света с учетом прямого тока через диод.
Исследовались прежде всего «потребительские» параметры СД, необходимые при конструировании матричных светильников. Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводились на полуавтоматической установке, специально разработанной для исследования электрических характеристик светодиодов и для разбраковки диодов на группы по значениям параметров. Светотехнические характеристики исследовались с помощью гониофотометрической установки (установка измерения силы света, УИСС), изготовленной и откалиброванной фирмой ТКА (Санкт-Петербург). Цветовая температура измерялась спектроколориметром ТКА-ВД № 44179-10 той же фирмы. Результаты выполненных исследований приведены в таблице.
Производитель |
Cree |
Seoul |
Refond |
|
Модель |
MX6AWT-A1-0000-000BB1 |
KWT728-S |
WNFA50DS-FF |
|
Номинальный прямой ток суммарно, мА |
100 |
60 |
||
Угол излучения по уровню 0,5 (2Θ0,5), ° |
Datasheet |
120 |
||
Измеренные значения |
111,7–115,1 |
108,7–115,4 |
113,7–116,7 |
|
Значение цветовой температуры, К |
Datasheet |
4300–5300 |
4700–7000 |
>5000 |
Измеренное |
4700–5100 |
4650–5200 |
5200–5600 |
|
Среднее |
4900 |
5000 |
5400 |
|
Максимальная сила света, кд |
Разброс |
19,3–26,7 |
5,84–6,91 |
6,72–7,66 |
Среднее |
23,71 |
6,43 |
6,98 |
|
Рабочее напряжение на диодах, В |
Разброс |
3,23–3,33 |
3,14–3,29 В |
3,11–3,49 |
Среднее |
3,26 |
3,25 |
3,21 |
|
Цена* за штуку, $ |
1,4 |
1,67 |
0,3 |
Примечание: * — По данным на сeредину 2011 г.
Проведенные измерения свидетельствуют о том, что угол излучения СД не превышает заявленного изготовителями значения.
Как показано на рис. 2, при всех напряжениях значение прямого тока у диодов Cree намного выше, чем у других диодов, что объясняется бóльшим количеством чипов в конструкции. Обратная ветвь ВАХ идеального диода характеризуется резким изломом и на характериографе выглядит как прямой угол, горизонтальная прямая которого соответствует участку «тока насыщения», а вертикальная — участку пробоя диода. При наличии токов утечки через дефекты в области пространственного заряда или по поверхности кристалла для обратной ветви характерно постоянное увеличение обратного тока с ростом обратного напряжения. Для такой зависимости в технической литературе часто используется термин «мягкий пробой», «мягкая характеристика» в обратном направлении.
Диоды компании Seoul имеют «мягкую» обратную ветвь ВАХ (рис. 3), что может свидетельствовать о дефектности гетероструктуры. Обратная ветвь ВАХ диодов Cree определяется характеристикой диода Зенера (рис. 4).
Для белых СД наиболее важным колориметрическим параметром является цветовая температура (CCT). Светодиоды производятся сегодня в довольно широком диапазоне оттенков белого цвета с CCT 2600–10000 К. Однако каждый регион имеет свои собственные понятия о том, какой диапазон белого света более всего пригоден для освещения. Для Cree в технической документации приведен диапазон значений 4300–5300 К, что соответствует нейтрально-белому свету [14]. Согласно информации, предоставляемой компанией Refond, светодиоды WNFA50DS-FF излучают холодный белый свет (Tц>5000 К) [15]. Цветовая температура СД Seoul, как прописано производителем, изменяется в диапазоне 4700–7000 К, что соответствует изменению оттенка свечения от нейтрального до холодного белого [16]. Как можно видеть в таблице, полученные в ходе измерений результаты подтвердили данные производителей.
Для наглядности на рис. 5 приведены гистограммы распределения значений CCT исследованных партий СД. Диапазоны значений Tц для светодиодов Cree и Seoul практически совпадают, у СД Refond значение Тц немного выше. Измерения проводились под углом 90° к излучающей поверхности СД.
Кандел-амперные характеристики (зависимость максимальной силы света от прямого тока), приведенные на рис. 6, показывают, что при рабочих токах 60 мА сила света светодиодов Refond больше, чем у СД Seoul. Значение силы света для диодов Cree еще выше, так как в конструкции диода пять излучающих чипов и, соответственно, полный прямой ток составляет 100 мА. Приведенные в таблице данные позволяют говорить, что у СД Cree разброс значения силы света много больше, чем у двух других типов диодов. Очевидно, что можно использовать четыре диода компании Refond для получения значения силы света порядка 24–28 кд, как у одного диода Cree, получив при этом диапазон разброса силы света в два раза меньше, чем у СД Cree.
Исследования показали, что диоды Cree и Seoul имеют примерно одинаковое значение рабочего напряжения и его разброс. Для СД компании Refond разброс значения рабочего напряжения в четыре раза выше, чем у остальных.
Немаловажным параметром СД и относительным показателем их качества является обратная ветвь ВАХ. Гистограммы обратного напряжения при обратном токе 1 мкА представлены на рис. 7–9. Наиболее стабильными оказались образцы Cree, разброс по величине обратного напряжения у них составляет 0,3 В (но это характеристика диода Зенера). Наибольший разброс величины обратного напряжения (40 В) наблюдался для диодов Refond.
Заключение
Таким образом, диоды Cree выигрывают по значениям параметров за счет большего рабочего тока и их повторяемости. Но при этом, как было показано ранее, можно получить при помощи диодов Refond значение силы света, равное силе света СД Cree, с меньшим разбросом этого значения. Этот вариант по стоимости окажется примерно равным стоимости одного диода Cree. Для каждого разработчика ответ на вопрос о том, какой диод лучше, зависит от того, где этот диод будет использоваться, в каком устройстве и какова технология сборки этого устройства.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП,
ГК № 16.516.11.61100
- http://www.magazine-svet.ru
- Никифоров С. Г. Исследование параметров светодиодов CREE XP-E/XP-G/XM-L // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 2.
- Скрипниченко А. Новые светодиоды ML-E компании CREE // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 5.
- Никифоров С. Г. Новые возможности светодиодов Luxeon REBEL// Полупроводниковая светотехника. 2011. № 2.
- Полищук А. Светодиоды OSLON SSL — новое решение в построении твердотельных источников света // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 2.
- Скрипниченко А. Новое поколение светодиодов CREE: компактнее и дешевле // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 1.
- Петропавловский Ю. Перспективные светодиоды компании Avago Technologies // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 1.
- Петропавловский Ю. Современные светодиоды и светодиодная продукция компании Samsung LED // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 5.
- Миронов С. Перспективная продукция CREE — новые возможности // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 5.
- Королев Г. Светодиоды компании CREE для видеодисплеев и информационных табло // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 1.
- Никифоров С. Г. Светодиоды с кристаллами от SemiLEDs «под микроскопом» // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 1.
- Никифоров С. Г. Реальный технический уровень современных светодиодов и осветительных приборов на их основе // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 6.
- Романовский А. Не верь глазам своим, или Технология обмана // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 6.
- http://www.cree.com
- http://www.refond.ru
- http://www.seoulsemicon.co.kr