Оптоэлектроника. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

In 41-x 0Ga 4x 0P 6590 5700 Красный Желто-зеленый 0,2 0,1  

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порошковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров (от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из них знакобуквенные индикаторы, отображать различные схемы, карты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция - свечение люминофора под действием электронного луча. Такие источники излучения представляют собой электровакуумную лампу, анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зелёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, большие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию удобной для различных применений в оптоэлектронике.

2. СВЕТОДИОДЫ.

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэлектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты и масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10 54 0...10 55 0 ч), высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам (10 5-9 0...10 5-5 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения излучения заданного спектрального состава (от синего до красного в видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они используются в качестве источника излучения для управления фотоприёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной информации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в компьютерах и пр.

Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход, прохождение тока через который в прямом направлении сопровождается генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектированных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока (электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люминесценция - испускание света веществом, не требующее для этого нагрева вещества; инжекционная э электролюминесценция означает, что люминесценция стимулирована электрическим током).

Электролюминесценция может быть вызвана также сильным электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конденсаторов с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробойная электролюминесценция Дестрио).

Светодиоды для видимого и ближнего инфракрасного излучения изготавливаются главным образом из монокристаллов материалов типа A 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соединений: GaAs 41-x 0P 4x 0 , Ga 41-x 0Al 4x 0As , где x - доля содержания того или другого элемента в соединении.

Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно легируются соответствующими примесями или их состав сильно варьируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия легируется цинком и кислородом, для получения зелёного - азотом.

Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39 , то светодиод излучает красный свет с  7l 0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.

Из простого соотношения, связывающего длину волны излучения с шириной запрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ] следует, что видимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72 эВ. У арсенида галия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэтому светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное излучение с  7l 0=900 нм. У фосфида галия  7e 0=2,19 эВ. Он может уже излучать видимый свет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энергии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью (или к.п.д.).

число эмиттированных квантов света
 7h 0 = ------------------------------------------
число инжектированных неосновных носителей

Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинстве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значении коэффициентов преломления используемых проводников (для арсенида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекобинационного излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём, превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яркости светодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0, I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этим параметрам они уступают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.

Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева и микрофонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.

Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в пределах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по сравнению со случаем применения фильтров для монохроматизации излучения немонохроматического источника.

2.1. Конструкция светодиодов.

В излучателе плоской конструкции излучающий переход выполнен или диффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями показаны лучи, которые из-за полного внутреннего отражения от границы раздела не выходят из кристалла. Из кристалла выходят только те лучи, которые с нормалью составляют угол  7Q, 0arcsin n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у вершины не более 35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и простой. Однако она наименее эффективна, ей соответствует узкая диаграмма направленности излучения .

Геометрические размеры полусферической конструкции светодиода таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излучение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нормалью, и полностью выходит наружу. Эффективность полусферической конструкции - самая высокая. Она примерно в десять раз превышает эффективность плоской конструкции. Однако она намного дороже и сложнее в изготовлении.

Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпоксидной смолы, выполняющей роль линзы. Смола имеет коэффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.

Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.

В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения светодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов выполняется такой конструкции.

Светодиоды могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их размеры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

2.2. Свойства светодиодов.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична вольт-амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопротивление мало и не превышает нескольких ом. Обратные напряжения невелики (3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитан на значительные обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять соответствующих мер защиты. Если светодиод должен работать от сети переменного тока, то последовательно с ним включается кремниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В статическом режиме номинальный ток в зависимости от типа светодиода лежит в пределах от 5...10 мА до 100 мА.

Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения практически линейно зависит от тока через диод в широком диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости. Это необходимо иметь в виду, когда светодиод используется в импульсном режиме для получения больших выходных яркостей.

При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение температуры по сравнению с комнатной на 20 5o 0 уменьшает их яркость примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокращается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокращается до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его максимально допустимым паспортным значением не рекомендуется.

Спектральный состав излучения светодиодов определяется материалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.

В табл. 2 даны основные параметры некоторых промышленных типов светодиодов.

Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов. 

Copyright © yurii.ru - 2023

Тип	Материал	Цвет	Входные параметры	Выходные параметры
		7l 0, нм	I, мА	U, В	P, мВт I 4v 0, мкд	L 4v 0, кд/м 52 0
АЛ102А	GaP	Красный 700	5	3,2		5
АЛ102Д	GaP	Зеленый 556	20	2,8		40
FLV450	GaP	Желтый 570	20	2	3,2
FLV350	GaP	Зеленый 560	20	2	3,2
FLV250	GaP	Красный 700	10	2