Внешний квантовый выход и яркость свечения диода

К числу важных параметров светодиода относится внешний квантовый выход

η _внеш = η _внутр· η _поверх, (5)

где η _поверх – коэффициент вывода света во внешнюю среду. На величину η _поверх оказывают влияние ряд факторов:

Поглощение света полупроводником. В полупроводниках с прямыми переходами имеет место высокий коэффициент поглощения, поэтому глубину залегания p – n -перехода уменьшают до 1÷2 мкм. Другой способ повышения η_поверх – вывод света через n -область (рис. 7, а). При этом n -область легируют значительно сильнее, чем p -область, вследствие чего излучательная рекомбинация инжектированных носителей происходит в p -области. Глубина залегания акцепторного уровня W _а больше, чем донорного W _d и энергия фотонов hν _са = W _с − W _а оказывается меньше, чем hν _dv = (W _d − W _v) и Δ W.

Отражение излучения от границы раздела полупроводник-воздух. Полупроводниковые материалы имеют высокий коэффициент преломления n = 3.3÷3.6. Наружу может выйти только то излучение, которое падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического Θ _крит = arcsin n ^–1. Для фосфида галлия GaP этот угол составляет Θ _крит = 17.7º. С целью увеличения критического угла кристаллы полупроводника заливают полимерными компаундами с большим показателем преломления (n = 1.5÷2.0). Высокое значение коэффициента вывода света можно получить, если придать кристаллам полупроводника (путем шлифования) специальную форму (рис. 7,б и в). Для уменьшения поглощения света и стоимости изделия p – n -переход изготавливают по планарной технологии и покрывают прозрачным полимерным полусферическим (или параболическим) покрытием (рис. 7,г).

Работа некоторых светоизлучающих приборов основана на двойном преобразовании энергии: электрической энергии в инфракрасное излучение и преобразование его в видимый свет. Преобразование в видимый свет происходит при возбуждении антистоксовского люминофора (λ _{излучения} < λ _{поглощения}), покрывающего излучающую поверхность ИК диода (GaAs).

Характеристикой диода как источника света является зависимость силы света I _ν от прямого тока (световая характеристика). Сила света I _ν – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (кд).

Сила света диода пропорциональна числу актов излучательной рекомбинации в единицу времени (пропорциональна произведению квантового выхода (5) на полное число актов рекомбинации. На рис. 8 и 9 представлены зависимости внутреннего квантового выхода η_внутр и силы света I _ν от плотности прямого тока j для GaP диодов. При малых значениях j происходит, в основном, безизлучательная рекомбинация носителей на примесных центрах в области p – n -перехода. Вследствие этого η _внутр при малых токах невелик и резко возрастает с увеличением инжекции носителей и их рекомбинации на центрах излучательной рекомбинации. При дальнейшем увеличении плотности тока имеется почти линейный участок световой характеристики I _ν(j), протяженность которого определяется изменением силы света светодиода в пределах одного – двух порядков (η _внутр ≈ const). При больших значениях j нарушается пропорциональная зависимость между силой света и плотностью тока вследствие заполнения излучательных центров, которые образовались при введении в полупроводник акцепторной, донорной или изоэлектронной примеси.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10^–8с после подачи импульса прямого тока.