Светоизлучательные диоды

Полупроводниковый излучатель – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы излучающих полупроводниковых диодов. Термином «излучающие диоды» охватывают диоды, работающие в диапазоне видимого излучения, – это светоизлучающие диоды (СИД) (используются для визуального отображения информации) и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения – инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды).

Современные излучательные диоды обладают следующими достоинствами: высоким значением КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узким спектром излучения (квазимонохромотичность) для одного типа диодов, с одной стороны, и перекрытием почти всего оптического диапазона излучения диодами различных типов, с другой; высокой для некогерентного излучателя направленностью излучения; малыми значениями прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высоким быстродействием; малыми габаритами; технологической совместимостью с микроэлектронными устройствами; высокой надежностью и долговечностью.

Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом

, (47)

где – коэффициент инжекции; – внутренний квантовый выход; – оптическая эффективность или коэффициент вывода света.

Произведение определяет эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду, так как при выводе излучения из активной (излучающей) области диода имеют место следующие потери энергии:

1) потери на самопоглощение;

2) потери на полное внутреннее отражение;

3) потери на обратное и торцевое излучение.

Эффективность вывода оптического излучения из диода характеризуется коэффициентом вывода и определяется отношением мощности выходящего излучения к мощности излучения, генерируемого внутри кристалла:

. (48)

Таким образом, внешний квантовый выход – это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции , электролюминесценции и вывода излучения в создании оптического излучения.

К характеристикам светоизлучающим диодам относят:

^ Излучательную характеристику. Она представляет собой зависимость параметров оптического излучения от прямого тока, протекающего через р-п- переход.

Для ИК-диодов излучательную характеристику представляют в виде зависимость потока излучения от прямого тока, протекающего через р-п -переход. Для светоизлучающих диодов излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света , яркости от прямого тока .

При малых токах прямых токах через СИД велика доля безызлучательной рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции при этом мал. С ростом прямого тока световой поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе, протекающем через р-п- переход, не окажется преобладающей диффузионная составляющая тока.

Дальнейшее увеличение приводит к и насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе. Максимальная сила излучения зависит от площади излучающего р-п- перехода и от размеров электрических контактов.

^ Спектральную характеристику. Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения или от энергии излучаемых фотонов называется спектральной характеристикой излучающего диода. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Использование материалов для производства приборов с различной энергией запрещенной зоны позволяет управлять длиной волны излучения СИД. Так как переход электронов при рекомбинации носителей зарядов обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучающего диода характеризуют шириной спектра излучения , измеряемой на высоте половины максимума характеристики. Излучение большинства излучающих диодов близко к квазимонохроматическому и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

К основным параметрам СИД относятся: длина волны излучения ; доминирующая длина волны излучения ; сила света ; угол излучения .

Длина волны излучения – это длина, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения СИД.

Глаз реагирует не только на интенсивность излучения, но и на цвет излучения. Поэтому при визуальной индикации излучение еще характеризую доминирующей длиной волны . Этот параметр является количественной мерой цветного восприятия излучения человеческим глазом. Два СИД с различными спектральными характеристиками будут иметь одинаковый цвет свечения, если они имеют одинаковую . Доминирующая длина волны – это излучение такой длины волны, смешивание которого с излучением эталонного источника воспринимается глазом как цвет излучения СИД. Излучение эталонного источника эквивалентно дневному свету от облачного неба.

Количественно излучение СИД характеризуют силой излучения. Однако сила излучения зависит от направления излучения. Направленность излучения описывают диаграммой направленности или углом излучения . В пределах угла излучения сила излучения составляет не менее половины ее максимального значения.

С помощью диаграммы направленности и угла излучения можно определить зрительно воспринимаемый световой поток при взгляде под некоторым углом к геометрической оси излучателя. Паспортная диаграмма направленности позволяет определить значение силы света при любом конкретном угле зрения.

К основным параметрам излучающего прибора относятся характеристики диода как элемента электрической цепи постоянного тока, определяемые его вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в энергии запрещенной зоны применяемых материалов. Чем выше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на излучающем диоде и потери электрической энергии в нем.

Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока. Время переключения складывается из времени включения и выключения излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезаряда барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода. Для светоизлучающих диодов (СИД) быстродействие оказывается второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза около 50 мс, что больше СИД.

Важной особенностью излучающих диодов является присущая им деградация – постоянное уменьшение мощности излучения при длительном протекании через прибор прямого тока. Деградацию связывают с увеличением концентрации центров безызлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов. Также играет роль дезактивация части излучательных центров за счет их перехода из узлов кристаллической решетки в междоузелья.

Снижение мощности излучения из-за деградации подчиняется экспоненциальному закону: , (49)

где исходная (начальная) мощность излучения; постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации. Для большинства излучающих диодов ч.

Рассмотрим влияние температуры на параметры и характеристики СИД. С ростом температуры увеличивается длина волны излучения , что связано с уменьшением ширина запрещенной зоны полупроводника.