Хотя явление элект^люминесценции известно уже несколько десятилетий, промышленное использование светодиодов нача­лось лишь в конце 60-х годов. Некоторые из новых приборов заменяют существующие источники света, другие находят при­менение в специальных условиях в точном соответствии с их свойствами. В перспективе светодиоды, по-видимому, в основ­ном будут не заменять другие источники света, а дополнять их. Само собой разумеется, что, пока не появятся новые области применения, определяемые свойствами светодиодов, они будут использоваться аналогично обычным источникам света. По­этому, прежде чем перейти к специальным применениям, срав­ним работу светодиодов и других источников света.

На рис. 7.1 приведены спектры излучения типичной лампы накаливания, «белой» люминесцентной лампы и желто-зеленого светодиода из GaP[16]). Эти спектры наложены на кривую чув* ствительности глаза V(Я); видно, что излучение светодиода хо­рошо согласуется со спектральной чувствительностью глаза. Из­лучение светодиодов имеет наибольшую функцию видности — для желто-зеленых светодиодов она составляет более 600 лм на 1 Вт излучаемой мощности (в то время как для люминесцент­ных ламп она менее 150 лм/Вт, а для ламп накаливания с воль­фрамовой нитью ~25 лм/Вт).

Вместе с тем функция видности является лишь одной ИЗ СО' ставляющих световой отдачи ер, которая характеризует эффек­тивность преобразования источником света электрической энер­гии в световую. Эволюция различных искусственных источников света с точки зрения световой отдачи показана на рис. 7.2. Све­тодиоды на этой диаграмме занимают самое нижнее место, так что в настоящее время они не могут конкурировать с другими источниками света как осветители общего назначения[17]). В чем

же заключаются особенности светодиодов, которые дают им преимущества перед другими источниками света для целого ряда применений? Рассмотрим их последовательно.

1. Малогабаритные осветители. От световых индикаторов ма­лой мощности требуется световой поток 5—50 млм. Световая отдача вольфрамовых ламп накаливания падает с уменьшением размеров, а у светодиодов остается неизменной. Большие раз­меры элементов и выделение большого количества тепла в лам­пах накаливания приводят к изготовлению источников больших размеров, чем это необходимо, если исходить из величины тре­буемого светового потока1). Источник, как правило, распола­гается вдали от освещаемой поверхности, чтобы обеспечить хо­рошие условия теплоотвода, так что используется только часть света, выходящая через колбу в небольшом телесном угле. С другой стороны, малая рассеиваемая тепловая мощность в светодиодах позволяет располагать излучающие свет струк­туры так, чтобы использовать весь излучаемый свет. В резуль­тате светодиоды вполне могут конкурировать с лампами нака­ливания в качестве малогабаритных индикаторов (рис. 7.3).

Красный светодиод

из GaAsf_x Рх

то то т ж т> юзо ш то то т tm

Гад

ороп 1------------------------------------------- 1--------- 1----------- l

' 0,0001 0,001 0,01 0,1 і

Световой поток, ли

Рис. 7.3. Зависимость световой отдачи малогабаритных ламп от полного све­тового потока.

2. Цветные индикаторы. Когда речь идет о цветных индика­торах, светодиоды имеют явное преимущество по сравнению с источниками света с широким спектром излучения. Например, на рис. 7.4 показано спектральное распределение излучения красного светодиода из GaP и лампы накаливания с «идеаль­ным» красным светофильтром. Свет в правой части пропускаеТ­
ся фильтром, а в левой поглощается. Из этих кривых видно, что яркость лампы накаливания с вольфрамовой нитью уменьшается светофильтром примерно в 5 раз, а яркость светодиода почти не меняется. Такая же ситуация имеет место во всем спектральном диапазоне от зеленого света до инфракрасного; однако в голу­бой части спектра, как это обсуждалось в разд. 6.4.2, сущест­вующие светодиоды не могут конкурировать с обычными источ­никами света.

3. Надежность. Для лампы накаливания конец работы озна­чает полный выход ее из строя. Срок службы светодиода обыч­но определяется как время, в течение которого яркость диода ири нормальных условиях работы уменьшается вдвое. На рис. 7.5 приведена зависимость срока службы ламп накалива­ния и светодиодов (при указанных критериях) от светового по­тока. Срок службы приборов обоих типов зависит от рассеивае­мой мощности, пропорциональной световому потоку. Малогаба­ритные электролюминесцентные лампы имеют на 2—3 порядка больший срок службы, чем лампы накаливания с тем же полез­ным световым потоком. Это различие увеличивается для цвет­ных индикаторов, а также в тех случаях, когда лампы во время работы испытывают механические сотрясения: раскаленные вольфрамовые нити легко выходят из строя под действием ме­ханических напряжений.

4. Совместимость с кремниевыми ИС. Одним из самых важ­ных преимуществ светодиодов является их совместимость с кремниевыми интегральными схемами (ИС). Для иллюстра­ции в табл. 7.1 приведены типичные значения рабочего напря-

жения Vf, напряжения пробоя Увг, диапазона рабочих токов h и времени включения Твкл различных светодиодов. Кроме элек­трических характеристик, светодиоды согласуются с кремние­выми ИС по механическим свойствам, а во многих случаях и по технологии производства. Поэтому можно ожидать, что в любых применениях кремниевых ИС для отображения и обработки информации, связи и контроля будут использоваться и свето­диоды.

Все изложенное раскрывает главные причины интереса к приборам на основе светодиодов. В последующих разделах описаны различные применения светодиодов в трех основных группах приборов — отдельных лампах, индикаторах и оптиче­ских изоляторах (оптронах).