СВЕТОДИОД

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в качестве элемента оптической системы при создании источников излучения с повышенной световой эффективностью в оптико-электронных приборах.
Известен светодиод, у которого в качестве основного излучающего элемента используется полупроводниковый кристалл. Спектр излучения этого светодиода зависит от типа материала. Поверхность этого кристалла оптически соприкасается с поверхностью прозрачного световыводящего элемента, имеющего различную конструкцию (см. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 172 с, ил. С. 105-106. - аналог).
Известен светодиод (см. Сб.научных трудов VII Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2009., с. 16-18 - прототип), содержащий полупроводниковый кристалл-излучатель, прозрачный пластмассовый световыводящий элемент, выполненный в виде полусферы, причем, излучатель установлен в центре полусферы и склеен в единый излучающий элемент.
По мнению авторов, недостатком известных светодиодов, является то, что наблюдаются большие потери энергии излучения при прохождении потока через прозрачный пластмассовый световыводящий элемент.
Прототипом является светодиод, включающий держатель, на котором монтируют формирователь с излучающим кристаллом и светопроницаемым отражателем, задняя поверхность которого имеет форму купола, в частности, в форме параболической поверхности и с углублением на передней поверхности, дном которой является линза со сферической поверхностью, фокус которой совмещен с фокусом параболоида и кристаллом, при этом, на боковую поверхность отражателя нанесено отражающее покрытие, а на его торцевую поверхность и поверхность линзы нанесено просветляющее покрытие (Патент SU 1819488, МПК H01L 33/00, опубл. 20.05.1995).
Основным недостатком прототипа является сложность технологии его производства, что увеличивает производственный цикл изготовления светодиода.
При изготовлении данного светодиода необходимо нанесение двух типов покрытий (зеркального и просветляющего) на отлитые по формам оптические детали, в частности, на отражатель необходимо нанести зеркальное отражающее покрытие, которое не должно попасть на линзу, а на торец отражателя и на линзу необходимо нанести просветляющее покрытие, которое должно миновать отражатель (просветляющее покрытие нанесено только на линзу, а не на всю поверхность световыводящего элемента), необходим точный расчет параметров его оптической системы, необходимо введение дополнительных операций по формированию прецизионных размеров параболоида и сферической линзы, в частности, апертурного угла линзы, который существенно влияет на параметры светодиода.
Задачей полезной модели является разработка светодиода, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является упрощение технологии изготовления светодиода, достигая при этом повышение силы излучения светодиода.
П
Э
Технический результат достигается тем, что в светодиоде, содержащем полупроводниковый излучатель, световыводящий элемент, соединенные в единый излучающий элемент, а также контакты для подключения питающего напряжения, при этом световыводящий элемент выполнен в виде полусферы, а полупроводниковый излучатель установлен в центре полусферы, согласно настоящей полезной модели, на наружную поверхность световыводящего элемента нанесено просветляющее защитное покрытие, показатель преломления материала которого в  раз меньше показателя преломления материала световыводящего элемента, где n - показатель преломления материала просветляющего защитного покрытия, n - показатель преломления материала световыводящего элемента, причем отношение  выбирают в интервале от 0,65 до 0,95.
Таким образом, технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции светодиода нанесено одно просветляющее защитное покрытие (без нанесения зеркального покрытия) на всю наружную поверхность световыводящего элемента, достигая при этом повышение силы излучения светодиода по всей поверхности световыводящего элемента, без уменьшения угла излучения светодиода, (в прототипе нанесено два типа покрытия: зеркальное отражающее покрытие, и просветляющее, не защитное, покрытие на внутреннюю линзу световыводящего элемента светодиода, при этом повышение силы излучения светодиода достигается за счет уменьшения угла излучения светодиода, что значительно усложняет технологию изготовления светодиода).
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого светодиода, а на фиг. 2 изображены спектральные характеристики пропускания световыводящего элемента светодиода (I-спектральная характеристика светодиода без покрытия, II - спектральная характеристика светодиода с нанесенным просветляющим защитным покрытием на его наружной поверхности).
Цифрами на чертеже (фиг. 1) обозначены:
1 - полупроводниковый излучатель,
2 - контакты для подключения питающего напряжения,
3 - световыводящий элемент,
4 - просветляющее защитное покрытие.
Светодиод содержит полупроводниковый излучатель 1, световыводящий элемент 3, соединенные в единый излучающий элемент, а также контакты 2 для подключения питающего напряжения, при этом световыводящий элемент 3 выполнен в виде полусферы, а полупроводниковый излучатель 1 установлен в центре полусферы.
П
Э
Предлагаемый светодиод отличается тем, что на наружную поверхность световыводящего элемента 3 нанесено просветляющее защитное покрытие 4, показатель преломления материала которого в  раз меньше показателя преломления материала световыводящего элемента 3, где n - показатель преломления материала просветляющего защитного покрытия 4, n - показатель преломления материала световыводящего элемента 3, причем отношение  выбирают в интервале от 0,65 до 0,95.
П1
Э1
П1
Э1
Если световыводящий элемент по условиям производства должен быть создан с максимальной световой эффективностью при отношении , равном 0,65, то для этого в качестве материала покрытия необходимо выбрать материал с n=1,38, например, фтористый магний, а в качестве материала с n=2,1 - оптический материал, например фианит. Если же это соотношение будет меньше 0,65, то мы не достигнем максимального коэффициента пропускания поверхности световыводящего элемента, и следовательно, максимальной излучательной световой эффективности светодиода, что подтверждается экспериментально. Поэтому величина отношения равная 0,65, является критерием получения максимальной излучательной эффективности нового светодиода при данных n и n.
П2
Э1
П2
Э1
С другой стороны, максимальное значение коэффициента пропускания поверхности световыводящего элемента можно получать и при другом значении отношения  равном 0,95, но в этом варианте необходимо использовать материалы просветляющего покрытия и световыводящего элемента, имеющих значения n и n, соответственно. Для этого в качестве материала покрытия необходимо выбрать материал с n=1,45, например, двуокись кремния, а в качестве материала с n=1,5 - оптический материал, например прозрачное оргстекло.
Если же это соотношение будет больше 0,95, то будет отсутствовать эффект просветления, и следовательно, не будет достигнута максимальная излучательная световая эффективность светодиода. Следовательно, путем выбора величины отношения  в предлагаемом интервале от 0,65 до 0,95, согласно предлагаемой полезной модели, можно предсказывать выбор как материалов покрытий, так и материалов световыводящего элемента нового светодиода, что невозможно достичь посредством конструкции известных светодиодов.
Просветляющее защитное покрытие 4 при указанном отношении  повышает световую эффективность светодиода. Кроме этого, просветляющее защитное покрытие 4 защищает поверхность корпуса светодиода от механических повреждений.
Выбор материалов для изготовления светодиода из указанного интервала отношении  является новым универсальным технологическим средством, которое позволит изготавливать светодиоды нового поколения.
Были измерены технические характеристики известного светодиода (тип АЛ-107) и светодиодов, изготовленных по предлагаемой полезной модели.
Э
У известного светодиода (тип АЛ-107) световыводящий элемент выполнен из прозрачного органического стекла. Показатель преломления стекла n=1,5. Коэффициент пропускания составил 0,92 (см. кривая I, фиг. 2). При отсутствии на его поверхности просветляющего покрытия, измеренная сила излучения составила 17 мВт/ср.
Экспериментально измеренная сила излучения светодиод изготовленных согласно предлагаемой полезной модели, составила 102 мВт/ср.
Характеристики светодиодов приведены в таблице 1.
В таблице 1 данные второго столбца относятся к известному светодиоду (тип АЛ-107), данные третьего столбца - к светодиоду, изготовленному из фианита с материалом просветляющего защитного покрытия их фтористого магния, данные четвертого столбца - к светодиоду, изготовленному из прозрачного оргстекла с материалом просветляющего защитного покрытия из двуокиси кремния.
Из таблицы 1 следует, что нанесение однородного просветляющего покрытия по всей поверхности световыводящего элемента, согласно
П
Э
предлагаемой полезной модели, и изменение соотношения , где n - показатель преломления материала просветляющего защитного покрытия 4, n - показатель преломления материала световыводящего элемента 3, в интервале от 0,65 до 0,95 увеличивает силу излучения светодиода в 6 раз.
Следует отметить, что данная технологическая методика повышения световой эффективности применима и для УФ и ИК - областей спектра.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволит упростить технологию изготовления светодиода, достигая при этом повышение силы излучения светодиода.