В рамках курса изучаются основы фото- и колориметрии. Анализируются принцип действия и основные энергетические и цветовые характеристики источников света. Подробно рассматриваются процессы инжекционной электролюминесценции и излучательной рекомбинации. Изучаются осбенности конструирования высокомощных светодиодов.

Продолжительность курса 1 семестр

Содержание курса

1. Введение.
Излучатели и приемники видимого спектрального диапазона. Терминология, основные понятия и определения. Световые приборы и их классификация. Историческая эволюция искусственных источников света: от костра до светодиодов Проблема освещения в современной цивилизации, Технические, экономические и медико-биологические проблемы, связанные с искусственным освещением.

2.Основы фотометрии
Глаз человека, кривая относительной спектральной чувствительности. Основные представления фотометрии, единицы световых величин, связь фотометрических и энергетических параметров.

3. Обновы колориметрии.
Способы описания и измерения цвета. Функции видности для трех основных цветов. Расчет координат цветности. Цветовая диаграмма МКО. Сложение цветов. Пиковая и доминантная длина волны. Планковский излучатель. Определение белого цвета, область белого на диаграмме МКО. Качество белого цвета: цветовая температура, индекс цветопередачи. Экспериментальные методы световых и измерений и приборы, используемые для этих целей.

4. Принцип действия, основные энергетические и цветовые характеристики источников света.
Лампы накаливания, в том числе галогенные. Люминесцентные лампы. Разрядные лампы высокого и низкого давлений: ртутные, метало-галойдные, натриевые. Сравнительный анализ эффективности ламповых источников света.

5. Инжекционная электролюминесценция
Факторы, определяющие эффективность преобразования энергии в светодиоде. Излучательная и безызлучательная рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках. Виды переходов.

6. Расчет скорости излучательной рекомбинации.
Высокий и низкий уровень возбуждения. Расчет скорости излучательной рекомбинации. Уравнение Ван-Русбрека-Шокли. Излучательно и безызлучательное время жизни. Внутренний квантовый выход.

7. Инжекция в гомо- и гетеро p-n-переходе.
Теория идеального гомо- p-n-перехода. Уравнение Шоки. Коэффициент инжекции. Гетероструктуры и квантовые ямы. Суперинжекция. Двойная гетероструктура. Реальные светодиодные структуры и реальные ВАХ. Надбарьерные токи утечки. Геометрия контактов и распределения тока по площади p-n-перехода. Эффекты шнурования тока под контактами и затенения света контактами. Температурные зависимости ВАХ. Роль электрических потерь в общем КПД светодиода.

8. Вывод света из полупроводникового кристалла. Оптическая эффективность светодиодных конструкций.
Полное внутреннее отражение на границе полупроводник-окружающая среда. Угол выхода излучения. Френелевские потери. Конфигурации для увеличения коэффициента вывода излучения. Иммерсионные линзы. Эффекты многопроходности и рассеяния на внутренних границах: светодиоды с прозрачной подложкой. Внутреннее переизлучение. Фотоэлектролюминесцентные диоды. Встроенные брэгговские зеркала. Резонаторные диоды. Градиентные волноводы и торцевые диоды. Фотонные кристаллы.

9. Особенности конструирования высокомощных светодиодов.
Тепловыделение в кристалле светодиода: источники и их локализация. Влияние температуры на оптические, электрические и ресурсные характеристики. Способы определения температуры активной области. Способы эффективного теплоотвода. Электронные и тепловые процессы, ответственные за снижение эффективности светодиодов при высоких уровнях возбуждения. Многопроходные AlGaAs светодиоды с удаленной подложкой (ближний ИК и красный диапазон). AlGaInP/GaP флип-чип светодиоды для желто-оранжево-красной области спектра. Мощные AlGaInN светодиоды на сапфировой подложке сине-зеленого диапазона. Рекордные достижения по мощности излучения и КПД. Перспективы дальнейшего роста параметров светодиодов.

10. Стандарты и параметры светодиодов. Методы измерения оптических и электрических характеристик.
Основные функциональные параметры светодиодов. Методы измерения силы света, светового потока, яркости, кпд и светоотдачи. Методы измерения пространственного распределения излучения, спектральных и цветовых характеристик, а также тепловых и электрических параметров

11. Белые светодиоды.
Способы генерации белого света. Дихромные, трихромные и полихромные системы. Компромисс: эффективность – индекс цветопередачи. Белые светодиоды на основе комбинации полупроводниковый излучатель - люминофор. Виды люминофоров и их характеристики. Мультикристальные белые светодиоды на основе принципа цветосмешения. Особенности измерения параметров белых светодиодов.

12. Применение светодиодов. Прогнозы, тенденции на будущее
Особенности электрических схем питания, соединения и корпусирования светодиодов в мощных источниках света. Вторичная оптика. Системы световой сигнализации большого радиуса действия: светофоры, навигационные и бортовые огни.. Архитектурная подсветка. Знаковые табло и крупно-масштабные полноцветные дисплеи. Медицина: локальное подсветка (эндоскопия), освещение операционных, физиотерапия. Интеллектуальный свет.

Литература

1. Ж.Панков. Оптические процессы в полупроводниках. М., «Мир», 1973г.
2. М.М.Гуревич. Фотометрия. Теория, методы и приборы. Л., «Энергоатомиздат», 1983г.
3. A.Zukauskas, M.Shur, R.Gaska. Introduction to Solid-State Lighting. John Wiley and Sons Inc. New-York 2002.
4. Фред Е. Шуберт. Светодиоды. Пер.с англ. Под ред.А.Э.Юновича. Москва, Физматлит 2008.