Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры
--PAGE_BREAK--ты, ситуации.
В последнее время для малогабаритных устройств индикации
широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция -
свечение люминофора под действием электронного луча. Такие ис-
точники излучения представляют собой электровакуумную лампу,
анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зе-
лёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим
полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, боль-
шие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию
удобной для различных применений в оптоэлектронике.
2. СВЕТОДИОДЫ.
Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэ-
лектроники 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 из-
лучения заданного спектрального состава (от синего до красного в
видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они
используются в качестве источника излучения для управления фо-
топриёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной ин-
формации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в
компьютерах и пр.
Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход,
— 9 -
прохождение тока через который в прямом направлении сопровожда-
ется генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является
следствием инжекционной люминесценции — рекомбинации инжектиро-
ванных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока
(электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люми-
несценция - испускание света веществом, не требующее для этого
нагрева вещества; инжекционная электролюминесценция означает,
что люминесценция стимулирована электрическим током).
Электролюминесценция может быть вызвана также сильным
электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конден-
саторов с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробой-
ная электролюминесценция Дестрио).
Светодиоды для видимого и ближнего инфракрасного излучения
изготавливаются главным образом из монокристаллов материалов ти-
па A 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соеди-
нений: 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 варь-
ируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия ле-
гируется 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. Поэто-
— 10 -
му 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 энер-
гии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью
(или к.п.д.).
ш1
число эмиттированных квантов света
7h 0 = ──────────────────────────────────────────
число инжектированных неосновных носителей
ш0
Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинс-
тве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что
свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значе-
нии коэффициентов преломления используемых поводников (для арсе-
нида галия n=3,3 для воздуха — 1) значительная часть рекобинаци-
онного излучения отражается от границы раздела полупровод-
ник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём,
превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яр-
кости 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 ус-
тупают лампочкам накаливания, по остальным — превосходят их.
Светодиод — миниатюрный твердотельный источник света. У не-
го отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него
нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева и микро-
фонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.
Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в преде-
лах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по срав-
нению со случаем применения фильтров для монохроматизации излу-
чения немонохроматического источника.
— 11 -
2.1. Конструкция светодиодов.
В излучателе плоской конструкции (рис.1, а) излучающий пере-
ход 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 (рис. 2).
Геометрические размеры полусферической конструкции светоди-
ода (рис. 1, б) таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излу-
чение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нор-
малью, 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 эпок-
сидной смолы, выполняющей роль линзы (рис. 1, в). Смола имеет ко-
эффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.
Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.
В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения све-
тодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов вы-
полняется такой конструкции.
Принципиальное устройство светодиода показано на рис. 3.
Светодиоды могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их раз-
меры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).
— 12 -
2.2. Свойства светодиодов.
Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична
вольт-амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто
возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопро-
тивление 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 крем-
ниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В стати-
ческом 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 диапа-
зоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP — свето-
диоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости
(рис. 4). Это необходимо иметь в виду, когда светодиод использу-
ется 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 сокра-
щается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы
хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокраща-
ется до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с уве-
личением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его мак-
симально допустимым паспортным значением не рекомендуется.
— 13 -
Спектральный состав излучения светодиодов определяется ма-
териалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.
Сравнительные спектральные характеристики для основных материа-
лов приведены на рис. 5, а в табл. 2 даны основные параметры не-
которых промышленных типов светодиодов.
ш1
Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов.
╔════════╤══════════╤═════════╤══════════════╤═════════════════╗
║ │ │ │ Входные │ Выходные ║
║ │ │ │ параметры │ параметры ║
║ Тип │ Материал │ Цвет ├───────┬──────┼─────────┬───────╢
║ │ │ 7l 0, нм │ │ │ P, мВт │ L 4v 0, ║
║ │ │ │ I, мА │ U, В │ ─────── │ кд/м 52 0 ║
║ │ │ │ │ │ I 4v 0, мкд │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ красный │ │ │ │ ║
║ АЛ102А │ GaP │ ─────── │ 5 │ 3,2 │ ──── │ 5 ║
║ │ │ 700 │ │ │ │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ зелёный │ │ │ │ ║
║ АЛ102Д │ GaP │ ─────── │ 20 │ 2,8 │ ──── │ 40 ║
║ │ │ 556 │ │ │ │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ жёлтый │ │ │ │ ║
║ FLV450 │ GaP │ ─────── │ 20 │ 2 │ ──── │ ║
║ │ │ 570 │ │ │ 3,2 │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ зелёный │ │ │ │ ║
║ FLV350 │ GaP │ ─────── │ 20 │ 2 │ ──── │ ║
║ │ │ 560 │ │ │ 3,2 │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ красный │ │ │ │ ║
║ FLV250 │ GaP │ ─────── │ 10 │ 2 │ ──── │ ║
║ │ │ 700 │ │ │ 3 │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ красный │ │ │ │ ║
║ FK510 │ GaAsP │ ─────── │ 20 │ 1,6 │ ──── │ ║
║ │ │ 660 │ │ │ 2 │ ║
╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢
║ │ │ красный │ │ │ │ ║
║ TIL210 │ GaAsP │ ─────── │ 50 │ 1,8 │ │ 2400 ║
║ │ │ 670 │ продолжение
--PAGE_BREAK--