ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 2009 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к светодиодной технике, а точнее к источникам света, предназначенным для локального освещения и, в частности, для замены лампочек накаливания с диаметром цоколя не более 10 мм в аппаратуре гражданского и иного назначения.

Лампочки накаливания с указанным цоколем широко используются в карманных фонариках, в аппаратуре для подсветки шкал, других устройствах и характеризуются низким КПД, малым сроком службы. В то же время их круговая направленность излучения в пространстве позволяет с помощью штатных корректирующих элементов устройств (отражатели, линзы и т.д.) формировать заданное внешнее поле излучения. Для практического применения имеет большое значение простая замена одного типа лампочек на другой тип без какого либо изменения конструкции посадочного места лампочки и оптических корректирующих элементов устройства.

Известен полупроводниковый источник света [1], характеризующийся большим КПД и высокой надежностью работы. Источником излучения в упомянутом устройстве являются полупроводниковые излучающие кристаллы. Однако из-за сравнительно узкой диаграммы направленности излучения и отсутствия стандартного лампового цоколя использование подобных источников света напрямую для замены штатных лампочек накаливания в соответствующих устройствах невозможно.

Известен также полупроводниковый источник света, предназначенный для локального освещения рабочих поверхностей [2] (прототип). Устройство является монолитной гибридной интегральной схемой, состоящей из стандартного лампового цоколя, оптически прозрачного световода, кристаллов излучающих p-n-переходов, размещенных на теплоотводящем основании таким образом, что с каждым кристаллом сопряжен цилиндрический выступ световода с коническим углублением на торце. Хотя диаграмма направленности излучения данного устройства значительно шире, чем у источника света [1], но она не является пространственно круговой. Кроме того, миниатюризировать конструкцию устройства [2], чтобы совместить ее с цоколем диаметром менее 10 мм и с сохранением высокой яркости излучения, представляет значительную трудность, поскольку требуется обеспечить эффективный отвод тепла от множества кристаллов излучающих диодов, компактно размещенных на теплоотводящем основании.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, состоит в создании полупроводникового источника света с использованием стандартного лампового цоколя диаметром не более 10 мм и пространственным светораспределением, близким к круговому.

Положительный результат достигается тем, что в полупроводниковом источнике света, выполненном в виде монолитной гибридной интегральной схемы, состоящей из стандартного лампового цоколя, оптически прозрачного световода с показателем преломления n=1,5-1,6, кристаллов излучающих p-n-переходов, размещенных на теплоотводящем основании, по данному предложению теплоотводящее основание является спаем теплопроводной керамики с металлом, а световод представляет собой цилиндр диаметром d₁ и высотой h₁ с углублением на торце в форме шарового сегмента диаметром d₂ и высотой h₂, причем размеры элементов оптической части устройства должны удовлетворять следующим соотношениям: d₂≤d₁; h₁≤d₁; h₂=(0,1-0,3)h₁; d₃= (0,1-0,3)d₁, где d₃ диаметр области на теплоотводящем основании, занятой кристаллами излучающих p-n-переходов.

На чертеже изображена одна из возможных конструкций заявляемого устройства.

Полупроводниковый источник света состоит из типового лампового цоколя 1, оптически прозрачного цилиндрического монолитного световода 2 с показателем преломления n=1,5-1,6 диаметром d₁ и высотой h₁, светоизлучающих кристаллов 3, занимающих на теплоотводящем основании 4, являющимся спаем теплопроводной керамики с металлом, площадку диаметром d₃. На торце цилиндрического световода 2 создано углубление в форме шарового сегмента 5 диаметром d₂ и высотой h₂. Электрические соединения между кристаллами 3 и их присоединение к внешней поверхности цоколя 1 и к центральному электроду 6 на чертеже не показаны.

Лучи света от кристаллов излучающих p-n-переходов 3, попадая на боковую поверхность цилиндрического световода 2 и преломляясь, по законам физической оптики, распространяются в направлении по чертежу вверх (луч 7). Те лучи, которые падают на внутреннюю поверхность углубления 5 под углом, меньше критического, выводятся также вверх (луч 8), а те лучи, которые падают под углом, больше критического, отражаются в сторону внутренней поверхности цилиндрического световода 2 и выводятся во внешнюю среду вниз (луч 9). При использовании световода с показателем преломления 1,5-1,6 критический угол границы раздела световод - воздух составляет около 40° и при соотношениях, указанных выше, между численными значениями d₁, d₂, d₃, h₁, h₂, определенных в ходе экспериментальных и теоретических исследований, достигаются диаграмма направленности излучения заявленного источника света, близкая к круговой, и максимально возможный внешний квантовый выход излучения. Использование спая теплопроводной керамики с металлом 4 позволяет разместить на теплоотводящем основании компактно необходимое количество полупроводниковых излучающих кристаллов 3 для обеспечения заданной мощности излучения, а размещение кристаллов на керамической поверхности спая позволяет автоматизировать процесс сборки и обеспечить требуемые электрические межсоединения.

Пример практического исполнения

Была изготовлена партия полупроводниковых источников света предлагаемой конструкции с использованием стандартных цоколей диаметром 10 мм в количестве 50 шт. Кристаллы желтого цвета свечения (15 шт.) площадью 0,2×0,2 мм² гетероэпитаксиальных структур GaAlInP были припаяны n-областью p-n-перехода к проводящим площадкам на керамической поверхности теплоотводящего основания и соединены между собой последовательно. Кристаллы размещались на площади диаметром 2 мм. Начало и конец последовательной цепи кристаллов проводниками соединялись с внешней поверхностью цоколя 1 и с центральным электродом цоколя 6. Далее весь блок герметизировался эпоксидным компаундом с использованием специальной заливочной формы. В результате достигалась монолитность конструкции источника света и формировался цилиндрический световод диаметром 12 мм и высотой 6 мм с углублением на торце в форме шарового сегмента диаметром 9 мм и высотой 2 мм. Рабочее напряжение полученных образцов составляло 26 В, рабочий ток - 20 мА.

Экспериментальные образцы полупроводниковых источников света были обследованы в Уральском конструкторском бюро транспортного машиностроения (ФГУП «УКБТМ»). Они проверялись в азимутальных указателях и для подсветки приборов взамен штатных ламп накаливания МН-26-0,12. По заключению УКТБМ полупроводниковые источники света, изготовленные по данному предложению, обеспечивали в 3 раза большую яркость подсветки по сравнению со штатными лампочками накаливания и повышали адаптацию зрения оператора и скорость зрительного восприятия.

В рамках данного предложения кристаллы излучающих диодов могут соединяться последовательно, параллельно или параллельно-последовательно для обеспечения заданных рабочих напряжения и тока.

Источники информации

1. Патент RU 2207663 С2, 2003.06.27.

2. Патент RU 2285312 С1, 2006.10.10.

Полупроводниковый источник света предназначен для замены штатных лампочек накаливания с цоколем, диаметром не более 10 мм в аппаратуре различного назначения. Источником света является монолитная гибридная интегральная схема, состоящая из стандартного лампового цоколя (1), цилиндрического световода (2), кристаллов излучающих диодов (3). Кристаллы напаяны на проводящие площадки керамической части теплоотводящего основания (4), являющегося спаем теплопроводной керамики с металлом. На торце цилиндрического световода сформировано углубление в форме шарового сегмента (5). При этом согласно изобретению геометрические размеры элементов оптической части источника света: диаметр и высота световода, диаметр и высота углубления, диаметр площадки под кристаллами связаны некоторыми соотношениями. Изобретение обеспечивает диаграмму направленности излучения, близкую к круговой, и максимально возможный внешний квантовый выход. 1 ил.

Полупроводниковый источник света, выполненный в виде монолитной гибридной интегральной схемы, состоящей из стандартного лампового цоколя, оптически прозрачного световода с показателем преломления n=1,5-1,6, кристаллов излучающих р-n-переходов, размещенных на теплоотводящем основании, отличающийся тем, что теплоотводящее основание является спаем теплопроводной керамики с металлом, а световод представляет собой цилиндр диаметром d₁ и высотой h₁ с углублением на торце в форме шарового сегмента диаметром d₂ и высотой h₂, причем размеры элементов оптической части устройства должны удовлетворять следующим соотношениям: d₂≤d₁; h₁≤d₁; h₂=(0,1-0,3)h₁; d₃=(0,1-0,3)d₁, где d₃ - диаметр области на теплоотводящем основании, занятой кристаллами излучающих р-n-переходов.