Светодиоды и светотехнические устройства

 Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

А.А. Вилисов, В.С. Солдаткин, В.И. Туев 

 

СВЕТОДИОДЫ  

И СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА  

 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 

 
 

 

 
 
 
 

Томск 
2020 

 

УДК [621.383.52+628.9](075.8) 
ББК  31.294я73 
         В448 
 

Рецензенты:    

Полисадова Е.Ф., д-р физ.-мат. наук,  

профессор отделения материаловедения 

Национального исследовательского  

Томского политехнического университета; 

Гермогенов В.П., д-р физ.-мат. наук,  

профессор кафедры полупроводниковой электроники 

Национального исследовательского  

Томского государственного университета 

 

 
 
 
 
Вилисов, Анатолий Александрович 
Солдаткин, Василий Сергеевич 
Туев, Василий Иванович 

В448     Светодиоды и светотехнические устройства: учеб. пособие / А.А. Вили- 
           сов, В.С. Солдаткин, В.И. Туев. – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та  
          систем управления и радиоэлектроники, 2020. – 112 с. 
                

     Содержит информацию о перспективных конструкциях и новых 
технологических процессах производства светоизлучающих диодов – 
электронной компонентной базы для высокоэффективных светотехнических устройств и радиоэлектронных средств в области связи, телевидения и других областях техники.  
     Предназначено для студентов уровней подготовки бакалавриата и 
магистратуры, изучающих дисциплины «Светодиоды и светотехнические устройства», «Полупроводниковая светотехника» и «Технология 
сборки и монтажа мощных светоизлучающих изделий», а также студентов, обучающихся по направлению «Конструирование и технология электронных средств».  

УДК [621.383.52+628.9](075.8) 
ББК  31.294я73 

 
                   
      Вилисов А.А, Солдаткин В.С.,  

                                                                    Туев В.И.,  2020 

  © Томск. гос. ун-т систем управления  
       и радиоэлектроники, 2020 

 

Оглавление 

 
Введение ……………………………………………………... 
4 

1 Краткая история развития электрических источников  
   света 

 

1.1 Лампа накаливания …………………………………… 
7 

1.2 Газоразрядная лампа ………………………………….. 
8 

1.3 Светодиодная лампа ………………………………….. 
9 

2 Световая отдача светодиода 
 

   2.1 Общие замечания ……………………………………… 
12 

    2.2 Излучательная рекомбинация и внутренняя  
           квантовая эффективность ……………………………. 

 

12 

    2.3 Внешняя квантовая эффективность …………………. 
14 

3 Технология изготовления светодиодов 
 

   3.1 Общие сведения ……………………………………….. 
17 

   3.2 Технологические операции изготовления  
          полупроводникового материала ……………………… 

 

17 

   3.3 Технологические операции изготовления  
          светодиодных кристаллов …………………………….. 

 

21 

   3.4 Корпусирование светодиодов ………………………… 
35 

   3.5 Материалы и компоненты для изготовления  
         светодиодов …………………………………………….. 

 

38 

4 Основные параметры и характеристики светодиодов 
 

   4.1 Конструкция светодиодов …………………………….. 
47 

   4.2 Светодиоды белого цвета свечения ………………….. 
51 

   4.3 Светотехнические, электрические и эксплуатационные  
         параметры светодиодов ……………………………….. 

 

56 

5 Применение светодиодов 
 

   5.1 Светодиодные лампы и светильники ………………… 
65 

   5.2 Светодиодные системы передачи информации ……... 
86 

   5.3 Светодиоды в телевидении ……………………………. 
91 

   5.4 Светодиоды в агротехнологиях ………………………. 
98 

Литература …………………………………………………… 105 
 

 

 

Введение 

 

Знаете ли Вы, уважаемый читатель, что являетесь свидетелем 

технической революции, происходящей на Ваших глазах? Более 
того, Вы можете стать причастными к этому важному процессу. 
Настоящее пособие призвано раскрыть физические механизмы, 
конструктивные и технологические особенности производства 
твердотельных генераторов оптического излучения, обуславливающие все более широкое использование полупроводниковых 
электролюминесцентных материалов и созданных на их основе 
светоизлучающих диодов в перспективных высокоэффективных 
устройствах освещения, в составе средств связи и высокоскоростной передачи данных, в устройствах телевидения и осветительных установках для теплиц.  

Выпущенные Национальным космическим ведомством США 

NASA1 глобальные карты ночной Земли [1], сделанные из космоса, показывают, насколько масштабно на Земном шаре используется освещение, а ведь на фотографиях виден отблеск только уличного освещения (рисунок В.1).  

 

Рисунок В.1 – Фотография поверхности Земли ночью 

                                                 

1 NASA – National Aeronautics and Space Administration («Националь
ное Управление по Аэронавтике и Космосу». 

Естественно, что электрическое освещение требует опреде
ленных энергозатрат. На цели освещения расходуется до 22 % 
всей вырабатываемой на Земле электрической энергии [2]. В численном выражении это колоссальное значение, поэтому в России 
и во многих развитых странах мира приняты программы повышения энергетической эффективности и, в том числе, в области 
искусственных источников освещения [3]. 

Энергоэффективность источников света численно характе
ризуется параметром световой отдачи, определяющим долю светового потока, приходящегося на единицу потребляемой электрической мощности и измеряющимся, соответственно, в лм/Вт.  

Посмотрите, как по данным авторов [4] на протяжении двух 

веков совершенствовалась световая отдача традиционных источников света: пламени, ламп накаливания, флуоресцентных газоразрядных ламп (High-Intensity Discharge lamp – HID лампа) (рисунок В.2).  

 

Рисунок В.2 – Динамика изменения световой отдачи  

различных источников света во времени 

Появление в середине прошлого столетия твердотельных ис
точников света (светодиодов), их стремительное развитие и совершенствование в конце прошлого и начале текущего веков и 
предопределило упомянутую выше техническую революцию, суть 
которой заключается в том, что в настоящее время по критерию 
максимума световой отдачи среди всех существующих электрических источников света альтернативы светодиодам нет. 

Целью учебного пособия является ознакомление читателей, 

с перспективными направлениями конструирования, новыми технологическими процессами производства светоизлучающих диодов – электронной компонентной базой не только высокоэффективных светотехнических устройств, но и радиоэлектронных средств в области связи, телевидения, биологии. 

При подготовке пособия использованы апробированные на 

конференциях и опубликованные в рецензируемых изданиях научные результаты, полученные авторами при проведении исследований в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) в течение последних десяти 
лет [5–8].  

Авторы выражают благодарность аспирантам Шкарупо А.П., 

Юлаевой Ю.В. и Хомякову А.Ю., сотрудникам кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга (РЭТЭМ) 
и НИИ светодиодных технологий (НИИ СТ) ТУСУРа за помощь 
в подготовке текста учебного пособия. 

1 КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА 

 

1.1 Лампа накаливания 

 

Физик В.В. Петров в 1803 году совершил научное откры
тие, предложив использование электрической энергии для 
освещения. Свет излучало пламя между древесными углями, 
подключенными к полюсам батареи и расположенными на расстоянии 2–6 мм друг относительно друга. Это явление получило 
название электрической дуги. Расстояние между электродами в 
условиях его естественного увеличения по мере сгорания углей 
необходимо поддерживать постоянным. При чрезмерном увеличении расстояния между электродами дуга исчезает и свечение 
прерывается. 

Электротехник В.И. Чикалев через 70 лет создал устройство 

для авторегулирования угольных стержней дуговых ламп. Но и 
с этим приспособлением дуговые лампы не получили широкого 
распространения, так как они имели сложную и дорогостоящую 
регулировку. 

Лодыгин Александр Николаевич в 1870 г. разработал новые 

электрические лампы накаливания с угольным стержнем [9]. Изобретатель наполнил колбу инертным газом, и лампа накаливания 
проработала несколько часов. В 1873 году на одной из улиц Петербурга было установлено первое электрическое освещение. 
Российской академией наук А.Н. Лодыгину присуждена Ломоносовская премия. В патентах Лодыгин закрепил за собой первенство в разработке ламп с нитями накаливания из молибдена, 
платины, иридия, вольфрама, осмия и палладия. Вольфрамовые 
нити используются в лампах накаливания и сегодня.  

Учёный-изобретатель Павел Николаевич Яблочков в 1876 г. 

на выставке точных физических приборов в Лондоне продемонстрировал усовершенствованную дуговую электрическую лампу и 
стал первым человеком, который практически применил переменный электрический ток в электротехнике. До появления его 
работ считалось, что переменный ток не годится для широкого 
практического применения. Усовершенствование состояло в том, 
что длинные электроды располагались не концами друг к другу, 

а рядом, параллельно. Электроды были разделены слоем каолина – инертного материала, не позволяющего дуге возникнуть по 
всей длине электродов. Дуга появлялась только на их концах. 
По мере выгорания видимой части электродов каолин плавился 
и свет спускался вниз по электродам. Горела такая лампа не более двух-трех часов, но зато невероятно ярко [9]. 

Эдисон Т.А. организовал массовое производство ламп нака
ливания. В отличие от А.Н. Лодыгина, который работал один, у 
Эдисона была собственная лаборатория с необходимым оборудованием, в которой он проводил серии экспериментов. Добившись вакуума порядка 10-6 мм рт. ст. он занялся подбором материала для нити. Т.А. Эдисон применил волокно обугленного бамбука и получил отличный результат, что послужило основанием 
для организации компании по массовому производству. Эдисон 
занялся другими разработками, но письма недовольных потребителей заставили его вернуться к продолжению доработки лампы накаливания и установить, что угольные ниточки в баллоне 
слишком нежные – легко рвутся и ломаются. Так американский 
изобретатель приходит к давней мысли А.Н. Лодыгина о возможности использования вольфрамовой проволоки – проволоке 
из самого тугоплавкого материала. 

В настоящее время световая эффективность ламп накаливания 

достигает 15 лм/Вт. Серийная лампа, потребляющая 100 Вт электрической энергии, излучает световой поток примерно 1250 лм.   

 

1.2 Газоразрядная лампа 

 
Профессор Боннского университета Ю. Плюккер в 1856 го
ду предложил конструкцию газонаполненной стеклянной трубки, через пространство которой он решил пропустить электрический ток. Плюккер подключил электричество к трубке и стал 
наблюдать, как с ростом напряжения появляется бледное свечение сначала возле положительного электрода, а затем во всей 
трубке. Было установлено, что различные газы, заполняющие 
трубку, давали различные цвета свечения. Пары ртути светились 
зелёно-фиолетовым цветом, а пары натрия – желтым. 

В конце XIX в. в Англии появилась первая газоразрядная лам
па – трубка длиною около метра. Воздух из нее был тщательно 

выкачен, а пространство заполнено парами металла натрия. Эти 
лампы светились ярким жёлтым светом. Но жёлтый свет газоразрядных ламп не передаёт всех цветов окружающих предметов. 

Молодой профессор С.И. Вавилов в 1920 году на лекциях 

по физике в Высшем техническом училище города Москвы сказал студентам: «Будущие города и заводы должны освещаться 
светом без тепла – холодным светом». Вскоре была разработана 
газоразрядная ртутная лампа с трубкой, внутренняя поверхность 
которой была покрыта люминофором. При воздействии ультрафиолетового излучения, испускаемого парами ртути и аргона низкого давления, комбинация люминофоров излучает тёплый белый цвет с желтоватым оттенком. Излучение люминофора основано на явлении фотолюминесценции. 

Такие лампы (лампы дневного света) получили широкое рас
пространение в системах освещения. На сегодня промышленные 
образцы газоразрядных флуоресцентных ламп имеют световую 
эффективность до 90 лм/Вт. 

 

1.3 Светодиодная лампа 

 
Создание светодиодной лампы неразрывно связано с созда
нием и совершенствованием твердотельных полупроводниковых 
приборов. В этом процессе можно выделить некоторые важные 
моменты. 

Английским инженером Г.Д. Раундом впервые было обна
ружено свечение вокруг точечного контакта работающего детектора в 1907 г. [10]. В 20-е годы ХХ в. Олегом Владимировичем Лосевым обнаружено явление излучательной рекомбинации 
носителей зарядов в кристаллах карбида кремния и открыта электролюминесценция полупроводников [11]. В 1946 г. Лошкаревым В.Е. открыта биполярная диффузия неравновесных носителей тока в полупроводниках. В 1947 г. американскими учёными 
Дж. Бардиным, У. Бреттейном и У. Шокли был создан первый 
транзистор [12]. Инженер А.В. Красилов и его группа разработали германиевые диоды для радиолокационных станций в НИИ 
«Исток», а совместно с С.Г. Мадоян впервые обнаружили транзисторный эффект. Лабораторные образцы германиевых транзисторов были разработаны в Физическом институте им. П.Н. Ле

бедева Российской академии наук (ФИАН) учеными Б.М. Вулом, 
А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и др.; в Ленинградском физикотехническом институте им. А.Ф. Иоффе (ЛФТИ) – В.М. Тучкевичем и Д.Н. Наследовым; в Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (ИРЭ РАН) – 
С.Г. Калашниковым, Н.А. Пениным и др.  

В Америке в 1951 году был создан центр по разработке 

«полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева» (Losev Light), под руководством К. Леховец. В 
городе Санта-Клара (Калифорния) в 1955 году У. Шокли основал компанию «Shockley Semiconductor Laboratories» по разработке германиевых и кремниевых транзисторов [12, 13].  

В Томске в 1954 году В.А. Пресновым была открыта лабо
ратория полупроводников в Сибирском физико-техническом институте (СФТИ). Томские исследователи приступили к исследованию арсенида галлия. Совместная работа коллективов Томского государственного университета, СФТИ и НИИ полупроводниковых приборов (АО «НИИ ПП», г. Томск) позволила создать на основе арсенида галлия приборы для СВЧ-электроники 
и оптики инфракрасного диапазона длин волн. Определяющую 
роль в разработке этих приборов сыграли профессора С.С. Хлудков, О.П. Толбанов, В.Г. Воеводин, Н.П. Криворотов, А.А. Вилисов, В.Г. Божков, А.В. Войцеховский [14].  

В лабораториях Иллинойского университета  (США) в 1962 г. 

на основе структур GaAsP/GaP Н. Холоньяком созданы первые 
промышленные светодиоды. Первая светодиодная лампочка была создана в 1968 году; в 60-е годы были созданы светодиоды из 
GaP c красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход составлял не более 0,1 %, спектр излучения находился в диапазоне длин волн 500-600 нм. Световая отдача светодиодов при этом составляла 1-2 лм/Вт.  

В 70-е годы Ж.И. Алферов с сотрудниками разработал мно
гопроходные двойные гетероструктуры, позволившие увеличить 
внешний квантовый выход до 15 % за счет ограничения активной области рекомбинации для полупроводниковых материалов 
GaAs и AlGaAs [15]. Для красной части спектра значение световой отдачи достигло 10 лм/Вт и более 30 % КПД – для инфракрасной.  

Группа Дж. Панкова из компании «IBM» в 70-х годах со
здала фиолетовые и голубые диоды на основе полупроводникового материала GaN. Компанией Hewlett Packard в 1976 г. разработаны светодиоды на основе полупроводниковых материалов 
фосфидов алюминия-галлия-индия, которые излучали краснооранжевый, желтый и желто-зеленый свет. В девяностые годы 
прошлого столетия световой поток светодиодов увеличился до 
100 лм. Сюдзи Накамура из японской компании Nichia Chemical 
в 1991 г. с помощью гетероструктуры на основе нитрида индиягаллия InGaN создал светодиод синего цвета свечения. Корпорацией «Nichia» с 1993 г. организовано серийное производство 
светодиодов на основе кристалла InGaN, а в 1996 г. разработан и 
внедрён в массовое производство светодиод белого цвета свечения на основе кристалла InGaN и фотолюминофора YAG [16]. 
Светодиоды начали широко использоваться в устройствах 
освещения, обеспечив создание индустрии полупроводниковых 
энергоэффективных источников света.