СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении мощных высокоэффективных источников излучения, пригодных для замены традиционных ламповых источников света.
Известен светоизлучающий диод (СИД) (см. Коган Л.М., Водовозова М.Л., Вишневская В.И., и др. - Светодиоды с узконаправленным излучением. Электронная техника. Сер.2, Полупроводниковые приборы, 1988 г., вып.1, стр.17-23), включающий полупроводниковый светоизлучающий кристалл, размещенный в прозрачном корпусе, имеющем куполообразную форму.
В известном СИД значительная часть излучения кристалла не попадает в апертуру фокусирующей линзы, выходит через боковую поверхность прозрачного корпуса и бесполезно теряется. В зависимости от соотношения геометрических размеров корпуса такие потери могут достигать до 50% от всего излучаемого кристаллом света.
Известен светоизлучающий диод (см. свидетельство РФ №8836, МПК H 01 L 33/00, опубликована 16.12.1998), включающий корпус и светоизлучающий кристалл, размещенный в прозрачном для излучения материале корпуса с показателем преломления, большим показателя преломления воздуха, но меньшим показателя преломления кристалла. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в форме эллиптического параболоида. Светоизлучающий кристалл расположен на круглой площадке, причем обращенная к упомянутому кристаллу поверхность площадки выполнена отражающей излучение кристалла.
Известная конструкция СИД не обеспечивает получение мощного излучения и имеет ограничения по световому потоку.
В известном СИД достигается более эффективное использование светового потока за счет применения для сбора излучения физического явления полного внутреннего отражения света на границе двух сред.
Известно, что в оптической системе, где свет выходит из оптически более плотной среды в среду оптически менее плотную, при определенных углах падения может выполняться условие полного внутреннего отражения света. Сплошной прозрачный корпус СИД должен иметь такую форму, что бы на его боковой, не выводящей излучение поверхности, происходило отражение света, излучаемого полупроводниковым кристаллом. В этом случае форма боковой поверхности прозрачного корпуса СИД, отражающая излучение, должна быть такой, чтобы направление распространения света, выходящего из светоизлучающего кристалла, образовывало в точке падения на нее с касательной плоскостью к этой точке угол больше угла полного внутреннего отражения. При выполнении этого условия свет, выходящий из излучающего кристалла, испытывает только отражение без какого-либо преломления. После отражения он полностью выводится через плоскую световы водящую часть поверхности корпуса. В случае использования для изготовления корпуса СИД широко распространенного в настоящее время прозрачного эпоксидного оптического компаунда с показателем преломления n~1,5 этот угол составляет ~40°. В общем случае уравнение кривой, удовлетворяющей условиям получения полного внутреннего отражения света в любой точке, может быть представлено в виде установленного в патенте [3] соотношения. Очевидно, что сбор и фокусировка излучения в такой конструкции происходит не за счет преломления света как у СИД с куполообразной световыводящей поверхностью, а за счет отражения на боковой поверхности параболоида, где на границе с воздухом выполняется условие полного внутреннего отражения света.
м
к
Известен светоизлучающий диод (см. патент РФ №2055420, МПК H 01 L 33/00, опубликован 27.12.1996), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Он включает светоизлучающий кристалл, помещенный в прозрачный материал отражающего корпуса, выполненного из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления 1<n<n. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, а
форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет соотношению:
b
где: n - показатель преломления окружающей среды (воздуха);
m
n - показатель преломления материала корпуса;
f'(х) - производная функции f(x);
х - координата точки на кривой f(x);
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла.
В пространственном изображении искомая форма отражающего корпуса СИД представляет собой объемную фигуру, полученную путем вращения кривой функции f(x), удовлетворяющей представленному выше уравнению относительно "оси симметрии. Этому уравнению удовлетворяет целое семейство кривых функций f(x), используя которые можно изготовить различные формы полимерного корпуса СИД. Такие светоизлучающие диоды при расположении излучающего кристалла на оси симметрии полностью собирают и выводят через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое полупроводниковым кристаллом. В случае если форма корпуса СИД выполнена в виде геометрической фигуры, которая, кроме сбора, позволяет и фокусировать излучение, например, в виде эллиптического параболоида, то фокусировку света в такой конструкции СИД легко осуществлять путем изменения месторасположения светоизлучающего кристалла на его оси симметрии.
Однако известная конструкция СИД не позволяет получать мощные источники излучения, обладающие повышенным световым потоком. Известно, что мощность излучения и величина светового потока СИД зависит от величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл. Поэтому для увеличения мощности излучения и величины светового потока СИД через полупроводниковый кристалл стараются пропустить как можно больший ток. Однако с увеличением величины тока, протекающего через
полупроводниковый кристалл, наряду с повышением мощности излучения происходит и разогрев объема кристалла. Вредное влияние разогрева даже при его относительно небольшой величине приводит к резкому ухудшению светотехнических параметров СИД. Изменяется длинна волны излучения и, в конечном итоге, уменьшается и возросшая в первоначальный момент мощность излучения. Более того, работа СИД в таком режиме приводит к быстрой деградации полупроводникового кристалла и выходу излучателя из строя. Обычно рабочая температура полупроводниковых излучательных кристаллов не должна превышать величины 100-120°С. Поэтому через СИД не рекомендуется пропускать ток, при котором температура объема полупроводникового кристалла была бы выше. При этом необходимо учитывать особенности конструкции СИД. В известной конструкции, где полупроводниковый кристалл расположен на достаточно тонком металлическом электроде, недопустимый разогрев объема кристалла достигается уже при токе 50-100 мА. В результате в таких конструкциях СИД световой поток не превышает несколько люменов, и получить большую мощность излучения не представляется возможным.
Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такого светоизлучающего диода, который бы позволял получать мощные источники излучения, обладающие повышенным световым потоком.
m
b
Поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диод включает полупроводниковый светоизлучающий кристалл, помещенный в отражающий сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления n>n, часть поверхности которого, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет соотношению:
,
b
где: n - показатель преломления окружающей среды (воздуха);
m
n - показатель преломления материала корпуса;
f'(х) - производная функции f(x);
х - координата точки на кривой f(x), см;
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.
упомянутый отражающий корпус усечен по плоскости, параллельной его широкому основанию, на которой выполняется условие полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом, и размещен на теплоотводящем элементе.
Отражающий корпус может быть выполнен, например, в форме сплошного эллиптического параболоида с плоской световы водя щей поверхностью, при этом полупроводниковый светоизлучающий кристалл расположен в центре его фокальной плоскости, по которой усечен упомянутый отражающий корпус.
Отражающий корпус СИД может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, поликарбоната или эпоксидного оптического компаунда.
Теплоотводящий элемент СИД может быть выполнен в виде в виде радиатора или в виде металлической пластины с полированной поверхностью, обращенной к светоизлучающему кристаллу.
Светоизлучающий кристалл может быть покрыт слоем люминофора для получения белого света.
В светоизлучающем диоде вокруг боковой поверхности светоизлучающего кристалла может быть установлен отражатель, выполненный, например, в виде части сферы или в виде эллиптического параболоида.
Как указано выше, для того, что бы эффективно собирать и использовать излучение полупроводникового кристалла, сплошной прозрачный отражающий корпус мощного СИД должен иметь форму боковой, не выводящей излучение поверхности, на которой происходит отражение света. В этом случае, форма наружной поверхности корпуса СИД, отражающая излучение, должна быть такой, чтобы направление распространения света, выходящего из светоизлучающего кристалла, образовывало в точке падения на нее с касательной плоскостью к этой точке
угол больше угла полного внутреннего отражения. После отражения свет полностью выводится через перпендикулярную оси симметрии световыводящую часть поверхности отражающего корпуса.
Так, например, размещение полупроводникового кристалла в центре фокальной плоскости эллиптического параболоида, обеспечивает получение, в зависимости от геометрических размеров отражающего корпуса, достаточно узкие углы излучения ~2-3°. При этом заданный угол излучения в такой конструкции довольно просто установить, изменяя лишь месторасположение кристалла на оси симметрии.
В конструкции заявляемого СИД для отвода избыточного тепла полупроводниковый кристалл располагается непосредственно на теплоотводящем элементе. При этом с помощью тонких промежуточных слоев из материалов с высокой теплопроводностью и различного типа теплопроводящих паст, можно добиться минимального теплового сопротивления в месте контакта кристалла с радиатором.
В заявляемой полезной модели сочетается особая форма отражающего корпуса СИД, которая обеспечивает эффективный сбор и фокусировку излучения полупроводникового кристалла, с теплоотводящим радиатором, который позволяет пропускать через него повышенные токи. Такая интеграция позволяет изготовить мощные СИД, где эффективно используется весь световой поток излучаемый полупроводниковым кристаллом.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг.1. изображен в продольном разрезе один из вариантов отражающего корпуса и помещенного в него светоизлучающего кристалла;
на фиг.2 показан вид спереди отражающего корпуса, изображенного на фиг.1.
на фиг.3. изображен в продольном разрезе другой вариант отражающего корпуса и помещенного в него светоизлучающего кристалла;
на фиг.4 показан вид спереди отражающего корпуса, изображенного на фиг.3.
Заявляемый СИД (см. фиг.1) включает полупроводниковый светоизлучающий кристалл 1, помещенный в светопрозрачный отражающий корпус 2, выполненный в форме, например, сплошного эллиптического параболоида с не выводящей излучение части 3 поверхности и плоской световыводящей частью 4 поверхности. Отражающий корпус 2 и светоизлучающий кристалл 1 размещены на теплоотводящем элементе 5 (в виде металлической пластины с полированной поверхностью). Отражающий корпус 2 выполнен из прозрачного для излучения кристалла 1 полимера, например, из поликарбоната или эпоксидного оптического компаунда. К светоизлучающему кристаллу 1 присоединены электроды 6. Светоизлучающий кристалл 1 покрыт слоем 7 люминофора для получения белого света. Вокруг боковой поверхности светоизлучающего кристалла 1 может быть установлен отражатель 8 (см. фиг.3).
Заявляемый СИД работает следующим образом. Используя приведенное выше соотношение, из, например, эпоксидного компаунда изготавливают сплошной отражающий корпус 2, на оси симметрии которого размещают светоизлучающий кристалл 1 с р-п-переходом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам 6 световые лучи, испускаемые кристаллом 1, попадают на границу раздела двух сред компаунд - воздух, где за счет преломления света отражаются от невыводящей излучение части 3 поверхности и выходят через световыводящую часть 4 поверхности корпуса 2 наружу.