LED svetlece diode

U   N   I V   EV U  V E    R Z I T  T E   T U  I  I ST OČ  N O M S A R A J  U 

SAOBRAĆAJNI FAKULTET DOBOJ

VASIĆ BOŠKO

LED – SVJETLEĆE DIODE DIPLOMSKI RAD

 DO BO J   , 2 200 9 . g  g o d i n  ne

SAOBRAĆAJNI FAKULTET - DOBOJ ODSJEK: TEHNIČKI SMJER: ELEKTRONIKA I AUTOMATIKA

LED – SVJETLEĆE DIODE

DIPLOMSK I R AD

K  ANDID AT: Bošk o Vasić BROJ INDEK S A:10/06

MENTOR: Dr Ferid Sof t  ti  ć

DOB O J  , 2009 . g  god i  in  e

15. BUDUĆNOST LED – OLED .......................................................................................... 39 16. ZAKLJUČAK .................................................................................................................. 40 17. LITERATURA ................................................................................................................. 41

E lek t tr  r  o  nik a

 LE   LLE  D ( Li  L  D  Light -E mit t ti ng Di Diod e)

 4 .  E L E K T  Č N     A SV O J ST V  T R    I Č  V A    L L E D  4 .1 . S t r  ru j n  n o- n a p o n s k a kk a r a k te ri s  s ti k  k a i rr a d  n a t a t ač  k a Na j j jednostavni j ji stru jni krug sasto ji se od istosm jernog izvora s naponom Vs, otpora R i LED diode. Stru ju  ju kruga i= ID odreñu ju  ju ori je  j jentaci ja  j ja elemenata kruga i iznosi n ji  jihovih parametara. Par vri j jednosti (VD, ID) jje u jedno tačka karakteristike diode i naziva se radna tačka. Stru jno naponska karakteristika diode sa p-n spo jom prvenstveno  je  jje opisana Shockley-evom relaci jo  j jom ko ja  ja  je  jje opisivala I-V krivul j ju.

Za uslove direktno polarisane LED stru ja kada  jje V se napisati:

≫

kT Shockley-eva  jjednačina može

Eksponenci ja  j jalna f unkci ja  j ja nam ja  jjasno pokazu je  je da kada napon pri je  j jeñe napon praga, dolazi do naglog porasta stru je kroz diodu, što se vidi i na stru jno-naponsko j karakteristici na slici . 4 3    )    A   m    (    D

     I

2  I D O

1 0 -1

V D O

-4

-2

0 V D (V )

2

4

Ako  je  jje Vs = V f  + R ⋅ I ,  na propusno polarisano j LED, vri je  j jedi uprošćena relaci ja  j ja:  V      n ⋅V t  

 I = I s ⋅ e . Koordinate radne tačke se iz ovih  jjednačina mogu naći raznim metodama, a u graf ičko j se se radna tačka nalazi u pres je  jecištu ova dva graf a Q = (Vd , I d  ) .

10

V asić Bo  B Boš k  ko 

 Di  D  p Di pl  plomsk i r ad 

U uslovima ravnoteže kontaktni potenci j jal iznosi:

Pošto ova j napon zavisi od koncentraci je  j je dopiranih supstanci ko je  je mogu da budu zanemarene kontaktni potenci j jal se uglavnom iz jednačava sa količnikom energentskog proc jepa E  i količine naelektrisan ja, t j j. sa naponom praga: Vc ≈ g ≈ V th e Na sledećo j slici prikazano  je  jje više stru jn  jno-naponskih karakteristika za različite poluprovodničke materi j jale kao i n jihove veličine energetskog proc jepa. I sa graf ika vidimo da veličine napona praga i veličine energetskog proc jepa za date materi j jale približno odgovara ju.

Zavisnost veličine direktno polarisanog napona sa stru jo  jom kroz LED od 20 mA, u zavisnosti od veličine energetskog proc jepa, kod LED ko je emitu je sv jetlost od inf racrvene preko vidl ji  j jive do UV sv je  jetlosti je  jje data na graf iku.

11

E lek t tr  r  o  nik a

 LE   LLE  D ( Li  L  D  Light -E mit t ti ng Di Diod e)

 4 . 2  2 .  P ri m  m je r ss t r  ru j n  n o- n a p o n s ke kk a r a k te ri s  s ti k  ke pp o m oć u M  M  a tl  a b- a Pomoću programskog paketa Matlab daćemo izgled stru jno-naponske karakteristike za GaP crvenu LED diodu či j ji  jje napon praga 1.6 V i max. dozvol j jena stru ja 50 mA kao i emisioni koef ici j jent n=0.37 uz pretpostavku da se radi o temperaturi od 27 C . 

Realna stru jn  jno-naponska karakteristika pomenute LED  jje prikazana na slici desno, dok  jje stru jn  jno-naponska karakteristika iste, dobi je  j jena pomoću matlaba prikazana ispod.

12

V asić Bo  B Boš k  ko 

 Di  D  p Di pl  plomsk i r ad 

Na di ja  j jagramima  je  jje prikazana vri je  j jednost energetskog proc je  jepa GaN, GaP, GaAs, InP, Si i Ge u f unkci j ji temperature. Kako se sa porastom temperature generalno sman ju je veličina energetskog proc jepa, tada α  ⋅ T 2  je to dato sa V ar shni j jevom f f or mulom: Eg = Eg ( 0 K ) − , gd je su α i β  , podešeni parametri, T  + obično se naziva ju V ar shni je  j jevi pa  ppar amet r  ri .

U tablici su prikazani V ar shni- jevi parametri za češće korištene materi j jale.

15

E lek t tr  r  o  nik a

 LE   LLE  D ( Li  L  D  Light -E mit t ti ng Di Diod e)

 4 . 5  5 .  P ri m  m je r u ti c  c a j a  a tte m pe r a tu re nn a vel ič i n  nu e ne r ge t s  s k o g pp r o c je p a Izračuna jmo energetski proc jep kod GaAs na temperaturi od 300K preko Varshi j jeve relaci j je. Za GaAs imamo sledeće parametre:

 ] α  = 5.41⋅10−4 [ eV / K   β  = 204[ K ]

Eg ( 0 K ) = 1.519 [eV ] Iz Eg = Eg ( 0 K ) −

 

α  ⋅ T 2

imamo: T  + 5.41 ⋅10 −4 ⋅ 300 2 E g = 1.519 − = 1.424 eV  , što vidimo da je  jje tačno sa di ja  j jagrama na slici 14. 300 + 204

Na sledećem di j jagramu vidimo stru jno-naponsku karakteristiku kod GaPAs / GaAs LED na temperaturi od 77K i 295K.

Možemo lako prim jetiti da  jje došlo do pada napona praga sa 2 V na 1.6 V, usli j jed rasta temperature sa 77K na 295K.

16

E lek t tr  r  o  nik a

 LE   LLE  D ( Li  L  D  Light -E mit t ti ng Di Diod e)

 5 . 2  2 .  A n al i z  z a oo p tič  ki h  h pp a r a me t a  a r a L L E D Razmotrimo LED sa naponom praga od Vth = E g  / e = 2.0 V , sa  unutrašn jom otpornošću od  Rs = 20 Ω , tako da  jje stru jno-naponska karakteristika data sa V = Vth + I ⋅ Rs . Kada radi na stru ji od 20 mA emitu je snagu od 4 mW. Odrediti unutrašn ju ef ikasnost, spol j jašn ju ef ikasnost i ef ikasnost snage, ako jje koef ici j jent emitovan ja 50%. Napon napa jan ja dat jje sa: V = Vth + I ⋅ Rs = 2 + 0.02 ⋅ 20 = 2 + 0.4 = 2.4 V .

 

Snaga prikl ju  j jučena na LED je  jje:  I ⋅ V = 0.02 ⋅ 2.4 = 48 mW  . Odavde već imamo da jje ef ikasnost snage: η  power  =

P 4 mW  = = 8.3% .  I ⋅V 48 mW 

Iz Vth = E g  / e , imamo da  je  jje Eg = Vth ⋅ e = 2 ⋅1.6022 ⋅10−19 = 3.2 ⋅10−19 eV . A pošt o  je  jje E g ≈ hν  , i energi j ja f otona jje jjednaka. Odavde imamo da nam jje unutrašn ja ef ikasnost: Pint / ( hν ) 0.004 / 3.2 ⋅10−19 1.25 ⋅10−16 η int = = = = 0.1  I / e 0.02 / 1.6022 ⋅10−19 1.25 ⋅10−17

Spol j jašn ja ef ikasnost odavde jje: ηext = ηint ⋅η extraction = 0.1⋅ 0.5 = 5%

Slik a 18. Pr ik a z za  zzavisnost i emit ovane snage od s d st r   je k r   LLE  D ru  je ro  z LE 

18

V asić Bo  B Boš k  ko 

 Di  D  p Di pl  plomsk i r ad 

Vidimo da stru ja  ja  ja  jjako raste sa malom prom je  jenom napona što i  je  jjeste karakteristično za diode, to nam govori i stru jno-naponska karakteristika crvene LED na slici 32. Kada se radi o ovakvo j zavisnosti stru je od napona teško da sa nekim izvorom možemo održavati stru ju kroz LED na stabilno j vri je  j jednosti. Naime mi stru ju  ju kroz LED moramo ograničiti. To se postiže ubacivan jem otpornika u seri j ju sa LED.

Slik a 33. V e zi  zivan je  je cr vene LE   LLE  D u k olu.

Ovd je na slici 33  jje prikazano kako se ispravno veže crvena LED u kolo sa otpornikom či ja  j ja je  jje vri je  j jednost proračunata za ova j tip LED i napon napa jan ja, a na slici 34 prikazani su detal jn  j jni podaci vezani za napon napa jan ja, stru ju kroz diodu, vri j jednost redne otpornosti, snagu disipaci j je LED diode i otpornika...

Slik a 34. De  D  j jni po  ppod aci ve za  zani za  zza cr venu LE   LLE  D Det al jn

25

V asić Bo  B Boš k  ko 

 Di  D  p Di pl  plomsk i r ad 

Slik a 40. I I  zg  zgled R d  RG  R  B- LE   LE  D RG B-

Slik a 39. K ombinovani s pe  pek t ta  r R r  RG  R RG B sist ema

Napomenimo  jo  jjoš da RGB-LED ima ju  ju četiri prikl ju  j jučka na ti je  j jelu t j.  j j. tri anode i katodu. Bi j jela LED može se dobiti na dva načina: Upotrebom RGB-LED ko je mi j ješan jem osnovnih bo ja stvara ju bi j jelu Korišten jem f osf ornog materi j jala ko ji konvertu je monohromatsku sv jetlost plave ili UV LED, što je  jje slično načinu rada f luorescentnih si ja  j jalica.

 9 . T  A B E L A S A S P EC  I  F I  K  AC  I  J  A M  A Z Z A L L E D Proizvoñački katalog obično sadrži tabelu sa tehničkim podacima za proizvod ko ji recimo mogu da budu LED. Ovakve tabele mogu biti teško razuml ji  j jive ako nismo upoznati sa nazivima ko ji se upotrebl j java ju. Ova tabela pokazu je  je tehničke podatke za LED sa pres je  jekom od 5 mm i plastičnim ti j jelom. Posebnu pažn ju treba obratiti na tri kolone ko je su boldovane. One nam govore o ko jo j bo ji  ji LED se radi, kolika je  jje dozvol je  j jena stru ja  ja kroz LED i napon praga te LED.

Slik a 41. T ablica sa t ehnič k   ppod acima za  zza 5mm LE   LLE  D ki m po

27

V asić Bo  B Boš k  ko 

 Di  D  p Di pl  plomsk i r ad 

11 .  L E D K   A   ŠT  K U  UĆ   Ć I  Sve LED se paku ju u kućišta ko ja im ju dvostruku nam jenu, obezb jeñu ju ef ikasni j je emitovan je sv jetlosti sa čipa, t j j. služi kao optika i u jedno služe kao hladn jaci za termičko rasipan je  je toplote. Materi ja  j jal ko ji  jim se oblaže čip podrazum je  jeva optičku providnost, velik indeks loma, visoku temperaturnu stabilnost i hermetičnost. Visok indeks loma pobol j jšava ef ikasnost sv jetlosne emisi j je sa čipa LED. Plastična kućišta obično ima ju indeks loma od 1.5 do 1.8.

Slik a 44. Ra  R  zlič it e vr st e LE   LLE  D k ućiš t ta  Ra zl

Sa slike vidimo da kućišta u ko je se paku ju LED mogu da budu različitih oblika, ali na jčešće se koriste hemisf ernog, cilindričnog i pravougaonog oblika, zavisno od nam jene. Napredni j ja kućišta danas nude visoke indekse lome n > 2 , i na sledećem di j jagramu prikazana je  jje zavisnost ef ikasnosti sv je  jetlosne emisi je  j je od vri je  j jednosti indeksa loma.

29

V asić Bo  B Boš k  ko  

 Di  D  p Di pl  plomsk i r ad 

17   .  L I T  T E    R AT U  U R    A Sof tić F. Elek trotehničk i materi ja  j  jaluk a, 2005  jali i k omponente, ETF Ban ja Milatović D. Optoelek tronik a, OOUR Zavod za udžbenik e i nastavna sredstava, Sara jevo, 1987 3) Opačić R. Elek tronik a I, Zavod za udžbenik e i nastavna sredstva, Beograd, 2002 4) Schubert E.F. Light-Emitting Diodes, Rensselaer Polytechnic Institute, New York , 2006 5) Malvin C.T. Fundamentals of  Photonics, Department of  Electrical Engineering, New York , 1991 6) David N. Liu. Introduction to Flat Panel Displays, Industrial Technology Research Institute, Taywan, 2008 7) http: /    /  / en.wik ipedia.org / wik i /   / Light-emitting_diode 8) http: /   je  ja   /  / www.poliderma.hr / tehnologi j  je / led_tehnologi j  ja 9) http: /    /  / www.prggin.hr / led /  10) http: /    /  / www.ledtuning.nl /   / index_site.php?Name=ledtechnical_EN 11) http: /    /  / f  fa  ncy.hr 12) http: /    /  / www.k psec.f reeuk .com / components / led.htm 1) 2)

41