Патент на изобретение №2258979

(54) СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к конструктивным элементам полупроводниковых приборов, по меньшей мере, с одним потенциальным барьером или с поверхностным барьером, предназначенных для светового излучения, в частности, к железнодорожным светодиодным светофорам. Техническим результатом изобретения является контроль параметров излучения светодиодного устройства в пределах оптического диапазона и возможность варьирования индикатрисой излучения. Сущность: на подложке дополнительно размещены один или более фотоприемников и система оптических фильтров. У каждого из фотоприемников р область проводимости соединена со своим присоединительным выводом через контактную площадку и присоединительный вывод проходит через отверстие в подложке и изолирован от последней, а n область проводимости соединена со своим присоединительным выводом при помощи проводника с металлическим или металлизированным контактом, выполненным в форме сегмента кольца, и все сегменты объединены между собой в кольцо через диэлектрические вставки. Система оптических фильтров, с одинаковыми или различными спектральными характеристиками пропускания, образована частями полого перевернутого усеченного конуса, количество которых равно количеству фотоприемников, и все части через диэлектрические прокладки объединены в единый полый перевернутый усеченный конус. На торцах полого перевернутого усеченного конуса размещены диэлектрические кольца, верхнее из которых имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру большего основания усеченного конуса, а внешний диаметр – равен диаметру подложки. Диэлектрическое кольцо имеет по окружности отверстия для электрического соединения проводников фотоприемников и светоизлучающих кристаллов с контактами в форме сегментов кольца. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к конструктивным элементам полупроводниковых приборов, по меньшей мере с одним потенциальным барьером или с поверхностным барьером, предназначенных для светового излучения, в частности, к железнодорожным светодиодным светофорам.

Известны светоизлучающие диоды серии АЛ336, с рассеянным излучением, эпитаксиальные, выполненные в корпусе с монолитной полимерной герметизацией и полусферическим прозрачным куполом с диаметром 5 мм, в котором источник излучения расположен на медном кристаллодержателе. Например, у светодиода АЛ336А красного цвета при пропускании прямого тока 10 мА типовая величина силы света составляет 6 мкд при угле обзора ±15° на половине мощности излучения. Конструкция обеспечивает тепловое сопротивление корпуса 450°С/Вт (Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник / Гицкевич А.Б., Зайцев А.А., Мокряков В.М., Петухов В.М., Хрулев А.К.; Под ред. А.В.Головмедова. – М.: КУбК-а, 1997. – С.437). Его недостатком является малая сила света, обусловленная высоким тепловым сопротивлением корпуса, и отсутствие возможности варьирования индикатрисой излучения.

Более совершенным устройством является многокристальный светодиод, имеющий в качестве источника излучения несколько, по меньшей мере два, отдельных светоизлучающих кристалла, размещенных на общей для них подложке, которая содержит углубление с плоским дном и отражающей излучение боковой поверхностью. Типовая сила света составляет 800 мкд при прямом токе 40 мА при угле обзора ±20° на половине мощности излучения. Конструкция обеспечивает тепловое сопротивление корпуса 170°С/Вт (RU №2133068; МПК 6 H 01 L 33/00. Светодиодное устройство / Абрамов B.C., Беленьков Н.М., Денисов С.Д., Щербаков Н.В., Уваров Л.А. – Опубл. 10.07.99, БИ №19, ч.2). Недостатком указанного устройства является отсутствие контроля параметров излучения и неравномерное смешивание цветов от центра к периферии вследствие определенного пространственного расположения светоизлучающих кристаллов на подложке и неполное использование интенсивности излучения кристаллов для разрешенных мощностей рассеивания энергии.

Наиболее близким по технической сущности является устройство многоканального инфракрасного монолитного фотодиодного дуплексного приемопередатчика, в котором структуры излучателя и фотоприемника совмещены в теле одного кристалла (Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К.Гребнев, Гридин В.Н., Дмитриев В.П.; Под ред. Ю.В.Гуляева. – М.: Радио и связь, 1998. – С.77, рис 3.24) – прототип. Его недостатком является отсутствие вывода излучения в пространство и отсутствие контроля параметров излучения.

Целью предлагаемого изобретения является контроль параметров излучения светодиодного устройства в пределах оптического диапазона и возможность варьирования индикатрисой излучения.

Указанная цель достигается размещением на подложке устройства фотоприемников и системы оптических фильтров.

Сущность изобретения заключается в том, что на подложке дополнительно размещены один или более фотоприемников и система оптических фильтров, при этом у каждого из фотоприемников р область проводимости соединена со своим присоединительным выводом через контактную площадку и присоединительный вывод проходит через отверстие в подложке и изолирован от последней, а n область проводимости соединена со своим присоединительным выводом при помощи проводника с металлическим или металлизированным контактом, выполненным в форме сегмента кольца, и все сегменты объединены между собой в кольцо через диэлектрические вставки, а система оптических фильтров, с одинаковыми или различными спектральными характеристиками пропускания, образована частями полого перевернутого усеченного конуса, количество которых равно количеству фотоприемников, и все части через диэлектрические прокладки объединены в единый полый перевернутый усеченный конус, который установлен на подложке меньшим основанием, а на торцах полого перевернутого усеченного конуса размещены диэлектрические кольца, верхнее из которых имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру большего основания полого перевернутого усеченного конуса, а внешний диаметр указанного диэлектрического кольца равен диаметру подложки, при этом диэлектрическое кольцо имеет по окружности отверстия для электрического соединения проводников фотоприемников и светоизлучающих кристаллов с контактами в форме сегментов кольца; что система оптических фильтров выполнена из фильтров-жалюзи, либо их комбинации, либо их комбинации со сплошными фильтрами, причем угол ориентации створок жалюзи любого цвета составляет 0-90 градусов относительно боковой поверхности кристалла, а соотношение размеров створок составляет от 7:1 до 2:1, при этом длины створок могут быть не равны между собой; что пространство между верхним диэлектрическим кольцом системы фильтров и подложкой заполнено герметизирующим компаундом.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1, 2.

На фиг.1 приведена схема светодиодного устройства, а на фиг.2 – вид сверху без крышки, верхнее диэлектрическое кольцо системы фильтров показано для наглядности прозрачным.

Предлагаемое устройство (фиг.1, 2) состоит из крышки устройства – 1, металлической или металлизированной подложки – 2, на которой установлены светоизлучающие кристаллы – 3, токопроводящего клея – 4, системы оптических фильтров – 5, причем все фильтры с обеих сторон объединены непересекающимися между собой диэлектрическими вставками – 6 (фиг.2), токонепроводящего клея – 7, верхнего кольца системы фильтров, с отверстиями по окружности (фиг.2) – 8, изолятора – 9, металлического или металлизированного контакта, выполненного в форме сегмента кольца – 10, контактной площадки – 11, из фотоприемников – 12, присоединительных выводов – 13, 14, проводника – 15, полусферической линзы – 16, полимерного герметизирующего компаунда – 17.

Предлагаемое устройство (фиг.1, 2) работает следующим образом. При подаче на выводы 14 электрического напряжения, через контакт, выполненный в форме сегмента кольца 10, через проводник 15 и один из излучающих кристаллов 3 начинает протекать электрический ток, и кристалл начинает излучать свет. Одновременно, при подаче на выводы 13 электрического напряжения, через один из фотоприемников 12, через проводник 15, соединенного с контактом, выполненного в форме сегмента кольца 10, через вывод 14 также начинает протекать электрический ток. Излучение с боковых граней поверхности кристалла 3 проходит в полной мере через ту из секций системы оптических фильтров 5, которая имеет максимальный коэффициент пропускания для доминантной длины волны, испускаемой данным кристаллом, попадает на фотоприемник 12, сопротивление которого начинает изменяться, что приводит к изменению величины электрического тока в указанной цепи. Часть отраженного потока излучения от усеченной конической поверхности, образованной системой оптических фильтров 5, а также излучение с верхней грани кристалла 3 через слой полимерного герметизирующего компаунда 17 фокусируется полусферической линзой 16.

Расположенное на системе фильтров 5 сверху диэлектрическое кольцо 8, выполненное в форме круга с внутренним диаметром отверстия по центру, равным диаметру окружности большего торца конуса, с внешним диаметром, равным диаметру подложки, изолирует фотоприемники 12 от фонового излучения сверху. Диэлектрическое кольцо 8 имеет отверстия по окружности для электрического соединения электродов фотоприемных 12 и светоизлучающих устройств 3 с контактами, выполненными в форме сегментов кольца 10. Электрические металлические или металлизированные контакты, выполненные в форме сегмента кольца 10, электрически связанные со своими присоединительными выводами 14, к которым подводится напряжение питания, либо от светоизлучающего кристалла 3, либо от фотоприемного устройства 12, дополнительно служат для исключения влияния фоновой засветки бокового излучения. Количество сегментов кольца 10 равно количеству светоизлучающих кристаллов и фотоприемников, причем все сегменты кольца с обеих сторон конструктивно объединены между собой диэлектрическими вставками 6 для достижения электрической изоляции между ними.

Система оптических фильтров 5 может быть реализована с одинаковыми или различными спектральными характеристиками пропускания, в зависимости от излучаемых кристаллами длин волн. Для концентрации потока излучения система оптических фильтров конструктивно выполнена в форме полого перевернутого усеченного конуса. Для фиксации на подложке 2 система фильтров 5 имеет на торце меньшего диаметра нижнее диэлектрическое кольцо с внутренним диаметром, равным диаметру окружности соответствующего торца конуса, с внешним диаметром, превышающим сумму диагоналей всех установленных кристаллов не более чем в два раза. Дополнительно между нижним диэлектрическим кольцом системы фильтров 5 и подложкой 2 нанесен слой токонепроводящего клея 7. Все фильтры объединены непересекающимися между собой диэлектрическими вставками 6, длина которых в случае, если количество светоизлучающих и фотоприемных устройств совокупно превышает два, достигает до края контакта, выполненного в форме сегмента кольца 10. Если предлагаемое устройство имеет один светоизлучающий кристалл 3 и один фотоприемник 12, диэлектрическая вставка 6 не используется.

Фильтры в системе фильтров 5 могут быть либо сплошные, например, стеклянные, полимерные, либо жидкостные, либо выполненные из фильтров-жалюзи, либо их комбинации. Угол ориентации створок любого цвета жалюзи составляет 0-90 град. относительно боковой поверхности кристалла, а отношение размеров створок и угла обзора составляет от 7:1 до 2:1, при этом длины створок могут быть не равны между собой.

Створки могут быть выполнены либо металлическими, либо из органического стекла, либо из силикатного стекла любого цвета.

Высота системы фильтров 5 не должна превышать 10 толщин светоизлучающих кристаллов.

Изменением параметров системы фильтров 5 или длиной створок можно регулировать пространственное и энергетическое распределение излучения от кристаллов 3.

Объем между верхним диэлектрическим кольцом 8 системы фильтров 5 и подложкой 2 может быть заполнен герметизирующим компаундом 17.

Толщина металлической подложки не должна превышать 50 толщин кристаллов. С внешней стороны основания подложки может быть нанесен слой электроизолирующего покрытия.

В предлагаемом устройстве могут быть использованы излучатели с красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым цветами свечения или их комбинации. Повышение мощности излучения, либо интенсивности свечения достигается установкой нескольких кристаллов излучателя одного цвета свечения одновременно с внесением соответствующего количества присоединительных выводов.

Для получения различной интенсивности свечения через кристаллы пропускают постоянный прямой ток заданной величины или импульсный прямой ток требуемой длительности, скважности, амплитуды импульсов.

Наличие полимерного герметизирующего компаунда 17 обеспечивает снижение потерь мощности излучения, влагозащищенность кристаллов 3 и фотоприемников 12, дополнительно фиксирует систему оптических фильтров 5, места присоединения проводников 15 к выводу 4.

Требуемая насыщенность цвета может быть достигнута путем окраски крышки устройства 1 соответствующего цвета или путем введения диспергатора.

В качестве фотоприемника могут выступать фотодиоды, фоторезисторы и другие фоточувствительные устройства.

Следовательно, часть светового потока, излучаемого светоизлучающими кристаллами, проходит через систему фильтров и, попадая на фотоприемник, вызывает изменение его сопротивления, что вызывает изменение величины тока в указанной электрической цепи.

Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет контроль параметров излучения светодиодного устройства в пределах оптического диапазона и возможность варьирования индикатрисой излучения.

Формула изобретения

1. Светодиодное устройство, содержащее герметизирующий корпус с крышкой, выполненный в форме собирающей излучение линзы, источник излучения с кристаллами излучателя света, размещенными на одной подложке, отличающееся тем, что на подложке дополнительно размещены один или более фотоприемников и система оптических фильтров, при этом у каждого из фотоприемников р-область проводимости соединена со своим присоединительным выводом через контактную площадку и присоединительный вывод проходит через отверстие в подложке и изолирован от последней, а n-область проводимости соединена со своим присоединительным выводом при помощи проводника с металлическим или металлизированным контактом, выполненным в форме сегмента кольца, и все сегменты объединены между собой в кольцо через диэлектрические вставки, а система оптических фильтров с одинаковыми или различными спектральными характеристиками пропускания образована частями полого перевернутого усеченного конуса, количество которых равно количеству фотоприемников, и все части через диэлектрические прокладки объединены в единый полый перевернутый усеченный конус, который установлен на подложке меньшим основанием, а на торцах полого перевернутого усеченного конуса размещены диэлектрические кольца, верхнее из которых имеет внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру большего основания полого перевернутого усеченного конуса, а внешний диаметр указанного диэлектрического кольца равен диаметру подложки, при этом диэлектрическое кольцо имеет по окружности отверстия для электрического соединения проводников фотоприемников и светоизлучающих кристаллов с контактами в форме сегментов кольца.

2. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что система оптических фильтров выполнена из фильтров жалюзи, либо их комбинации, либо их комбинации со сплошными фильтрами, причем угол ориентации створок жалюзи любого цвета составляет 0÷90 градусов относительно боковой поверхности кристалла, а соотношение размеров створок составляет от 7:1 до 2:1, при этом длины створок могут быть не равны между собой.

3. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что пространство между верхним диэлектрическим кольцом системы фильтров и подложкой заполнено герметизирующим компаундом.

РИСУНКИ