Мощные светодиоды. В статье "БИН" сообщалось, что светодиодные чипы изготавливаются на базе пластин диаметром от 150 до 300 мм. Встает законный вопрос: почему при производстве мощных светодиодов нельзя использовать чип, например, 50 х 50 мм?
Дело в том, что в классическом чипе, показанном на рисунке, ток протекает от катода к аноду через n-слой, активный слой, p-слой и контактный слой. Ток неравномерно растекается по этим слоям, и, в основном, концентрируется в области анода. В этой же области наблюдается основное выделение фотонов, но оно как раз закрыто непрозрачным контактом анода, выполняемого для снижения сопротивления, в основном из золота. Конечно, за счет растекания тока свет выходит и через прозрачный контактный слой. В качестве такого слоя обычно используется оксид индия-олова (ITO) или подобные ему соединения, сильно уступающие золоту по проводимости.
Однако такое растекание приводит к неоднородности плотности тока и, соответственно, теплового сопротивления по площади чипа, что приводит к значительному повышению локальной температуры под контактом. С увеличением площади чипа растекание тока ухудшается, что приводит к неравномерности свечения чипа.
Можно увеличивать толщину контактного слоя для повышения его проводимости. Но, во-первых, при использовании толстых слоев, на краях чипа образуются области повышенной плотности тока, уменьшающие квантовый выход. Во-вторых, с ростом толщины слоя усиливается поглощение в этой области фотонов. В-третьих, толстый контактный слой увеличивает омическое сопротивление чипа, что также снижает его эффективность.
Поэтому, например, площадь светодиодного чипа, выпускаемого Cree, не превышает 2 х 2 мм2. Рисунок такого чипа показан ниже.
Посчитаем светоизлучающую поверхность чипа (за вычетом площади контактов и включая площадь боковых поверхностей): S=1,9 х 1,9 - 2 х (0,13 х 0,13) +4 х 1,9 х 0, 2 = 5,1 мм2. При рекомендуемом значении тока для такого чипа 3 ампера, плотность тока составит 0,6 а/мм2, или, более привычно, 60 а/см2.
Для лучшего растекания тока используются две или три площадки для анода, как показано на фото. Кроме того, поверх прозрачного контактного слоя наносится тонкая золотая решетка. Она существенно улучшает растекание тока, но, одновременно и снижает площадь окна прозрачности.
Диаграммы распределения тока и света по такому чипу условно показаны на рисунке.
Поэтому можно предположить, что на сегодняшний день площадь чипа в 5 мм2 является обоснованной. А для дальнейшего повышения светового потока используется последовательно-параллельное соединение светодиодов.