СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД В ПЛАСТМАССОВОМ КОРПУСЕ

Полезная модель относится к области микроэлектронных источников света, более конкретно к светоизлучающим диодам, и может быть использовано в оптоэлектронике при изготовлении светодиодов.
Конструкцию типичных корпусов светодиодов можно представить в виде прозрачной конической поверхности, в вершине которой находится полусфера [Удальцов В.Е., Уварова А.А. (Титова). Моделирование процессов распространения излучения в светодиодах // «Известия ВУЗов. Приборостроение», вып.7, 2010, С.67-73]. Такая конструкция является наиболее удобной с точки зрения технологии изготовления. Схематичное изображение типичного светоизлучающего диода в пластмассовом корпусе приведено на фиг.1. Основными элементами конструкции являются излучающий кристалл (1), установленный на металлическую отражающую поверхность в виде усеченного конуса OFD, называемую фарой (2) и пластмассовый корпус в виде купола АВС (3).
К
S,
R
K
R
K,
1
2
2
1
Корпус изготавливается в виде цилиндра или конуса высотой Н сопряженного со сферической фокусирующей поверхностью АВ. Параметрами корпуса являются: высота кристалла над фарой H высота центра окружности верхней части корпуса H (H≥H), радиус верхней части сферической поверхности R, радиус нижнего основания конической поверхности R радиусы нижнего и верхнего основания отражателя R и R(R≥R), угол наклона отражателя α. Поверхность корпуса выполняется в виде конуса с минимальным углом наклона образующей по отношению к оси прибора.
Одной важнейших характеристик светодиодов является диаграмма направленности, которую удобно моделировать с помощью программы [Расчет диаграмм направленности светоизлучающих диодов в пластмассовом корпусе: свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ №2012618099 / Титова А.А., Филиппов Д.А., Удальцов В.Е.; заявитель и правообладатель НовГУ им. Ярослава Мудрого; заявл. 11.07.2012, опубл. 07.09.2012].
При расчете диаграммы направленности светодиода указанной конструкции предполагается, что кристалл излучает монохроматический свет как массив точечных источников. Существует несколько случаев прохождения излучения кристалла. В первом случае необходимо учитывать или отражение от границы DX, или отражение и преломление на ВС, или отражение и преломление на АВ. Во втором случае необходимо учитывать либо отражение от ОХ или DX, либо отражение и преломление на ВС. В третьем случае учитываются эффекты прохождения через ОА, отражение и преломление на АВ. При этом эффект прохождения луча через ОА эквивалентен отражению луча от этой поверхности, поскольку вследствие изотропности источника, лучу, падающему справа на ОА под углом - θ, всегда найдется луч, выходящий слева через ОА под углом θ. В четвертом случае учитывается только эффект отражения от ОХ и не учитываются эффекты отражения от DX и XC слева как маловероятные.
В гетероструктурах In·Ga·Al·N, выращенных на сапфировых подложках наблюдается волноводный эффект [Oudaltsov V.E., Uvarova A.A.(Titova) Optical properties of crystals for light-emitting diodes // Abstracts for VI Internathional Seminar on Silicon Carbide and Related Materials, ISSCRM-2009 - p.102-103], затрудняющий вывод излучения. Вследствие волноводного эффекта большая часть излучения выводится в торец кристалла (фиг.2), так как кристалл не является точечным источником излучения Ламбертовского типа. На фиг.2 показано распространение излучения в боковой торец кристалла (1 - область рекомбинационного излучения, 2 - отражающий контакт).
При распространении света на прозрачных поверхностях корпуса наблюдается явление полного внутреннего отражения. Этот эффект приводит к возникновению дополнительных максимумов на диаграмме направленности. На диаграмме направленности, представленной на фиг.3 хорошо заметны два дополнительных максимума, соответствующие углам примерно 35 и 80 градусов.
Изменяя размеры конструкции светодиода, можно определить, с чем связаны эти дополнительные максимумы и получить требуемую диаграмму направленности. Пик интенсивности излучения в районе 0° обусловлен выходом лучей из корпуса без отражения от каких-либо поверхностей. Затем наблюдается спад интенсивности за счет отражения от верхней сферической части корпуса и конической поверхности. После того, как угол падения луча на поверхность достигнет угла полного внутреннего отражения, наблюдается минимум, а затем наблюдается второй пик интенсивности за счет выхода преломленных лучей через коническую поверхность. На величину и положение второго пика существенное влияние оказывают как высота колбы, так и параметры отражателя.
Задача состоит в улучшении диаграммы направленности. Для решения данной задачи предполагается подобрать такой угол наклона отражателя, при котором излучение, выходящее в торец кристалла, после отражения проходит через фокус линзы, вследствие чего выходящие лучи идут параллельно.
Светодиод в пластмассовом корпусе обладает направленным излучением вследствие фокусирующего действия сферической поверхности колбы. Фокусное расстояние сферической поверхности рассчитывается по формуле [Ландсберг Г.С. Оптика // Издательство: Физматлит, 2003 (6-е издание), 848 с]:
где R - радиус сферической поверхности;
n - показатель преломления вещества колбы на длине волны излучения.
Для эпоксидных компаундов, применяемых в производстве светодиодов, показатель преломления на длине волны 660 нм (красный свет) составляет от 1,5 до 1,6. Если принять n=1,56 (для очищенного компаунда, используемого для заливки), то фокусное расстояние сферической поверхности с радиусом кривизны 3,6 мм составит 6,43 мм.
Угол наклона отражателя 2, при котором отраженные лучи, выходящие из торца кристалла 1, проходят через фокус линзы определяется выражением:
Для значений параметров корпуса, представленных в таблице 1 угол наклона отражателя α составит 40 градусов. Диаграммы направленности излучения для светодиода с оптимальным углом наклона (кривая 1 на фиг.3) и углом наклона 50 градусов (кривая 2) приведены на фиг.3. Как видно из рисунка, наблюдается уменьшение ширины основного максимума и уменьшение высоты побочных максимумов, что говорит о достижении необходимого эффекта.