Физические основы работы светоизлучающих диодов (стр. 3 из 4)

В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах СИД. Примеры спектральных характеристик СИД на основе GaP и SiC с различными примесями приведены на рис. 6. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон СИД характеризуют шириной спектра излучения ∆λ_0,5, из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.

Рис. 6. Спектральные характеристики СИД.

Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (∆λ/λ_max<<1) и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

Независимо от того, насколько эффективен СИД, выходное излучение даже большой мощности не будет зарегистрировано, если длина волны излучения не , соответствует спектру излучения, на который реагирует фотоприемник. В огромном большинстве случаев применения СИД должен быть спектрально согласован либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 300—1100 нм. Человеческий глаз обладает существенно более узким диапазоном чувствительности с практически полезной областью 400—700 нм. Для эффективной работы пары излучатель — приемник необходимо тщательное согласование спектральных характеристик этих приборов.

Например, при согласовании с человеческим глазом СИД на основе GaAsP согласование обеспечивается выбором такой длины волны, на которой произведение относительной световой эффективности глаза V(λ)и квантового выхода СИД η(λ) является максимальным, т.е.

V(λ) η(λ) =max

Этот максимум достигается при λ=655 нм (рис. 6) — красный цвет излучения.

У СИД, имеющих более короткие длины волн излучения (например, с λ_max=565 нм — зеленый цвет. и λ_max=585 нм — желтый цвет), значение η обычно существенно ниже, чем у СИД красного цвета. Однако относительная чувствительность глаза при такой длине волны значительно больше.

В результате удается получить набор излучателей от красного до зеленого цвета свечения, которые имеют одно и то же значение произведения V(λ) η (с точностью до порядка величины).

Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования СИД с фотодиодом. С одной стороны, такое согласование по сравнению с согласованием с человеческим глазом облегчается, так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире. С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары СИД — фотоприемник.

Оптические параметры

Оптические свойства СИД описываются группой оптических параметров. Оптические параметры позволяют выбрать СИД нужного цвета свечения, который имел бы максимальную световую отдачу при заданном токе. К оптическим параметрам СИД относятся: длина волны излучения λ_max, доминирующая длина волны излучения λ_дом, сила света I_υ и угол излучения θ.

Длина волны излучения λ_max — это длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения СИД. Современные структуры имеют малый разброс значений длины волны излучения для СИД одного типа.

В визуальных применениях СИД закрепляется на передней панели прибора. При этом он должен быть хорошо виден при окружающем освещении в месте установки СИД. Обычно окружающая освещенность достаточно высока. Поэтому для улучшения восприятия необходимо усилить контраст между индикатором и фоном. Усиление контраста заключается в обеспечении максимальной разности яркости включенных и выключенных СИД. Это условие обеспечивается двумя путями. Во-первых, уменьшают отражение окружающего света от поверхности СИД. Во-вторых, обеспечивают максимальное восприятие глазом света, излучаемого СИД.

В условиях искусственного освещения контраст усиливают с помощью избирательных оптических фильтров. Влияние такого фильтра на контрастность показано на примере знакового индикатора на рис. 8. Легко видеть, что визуальный контроль информации при наличии фильтра существенно улучшается.

Основное требование, предъявляемое к контрастному светофильтру, заключается в хорошей избирательности, т.е. в хорошем пропускании света только для длины волны излучения СИД. Спектральная характеристика фильтра — это зависимость относительного пропускания фильтра от длины волны света. Относительное пропускание Т_ф фильтра определяется соотношением:

Т_ф(λ)= L_υ(λ)/L_υ0

где L_υ(λ) — яркость излучения с фильтром на длине волны λ; L_υ0 — яркость излучения без фильтра на длине волны λ_max.

СИД как элемент оптрона

Светоизлучающие диоды имеют широкое применение. Они используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других технических устройствах. При этом СИД выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства - как дискретный оптоэлектронный прибор - или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора или оптоэлектронной микросхемы - оптрона. В этом случае излучающая структура должна обеспечивать одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстродействие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприемником оптрона и характеристики оптрона оптимальны. Для обычных СИД, не входящих в состав оптрона, требования к направленности излучения обычно существенно ниже. Кроме того, СИД визуального применения могут иметь низкое быстродействие, т. е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.

Рассмотрим типичные структуры и параметры излучателей, используемых в современных оптронах.

Структура на основе р-n перехода в арсениде галлия (так называемая мезаструктура - см. гл. 5), легированном кремнием, образует активную область с такими особенностями:

практически полное отсутствие безызлучательной рекомбинации, т.е. высокое совершенство структуры;

высокая эффективность инжекции;

различие спектральных характеристик излучения (λ_max≈940 нм) и поглощения (λ_гр≈900 нм), что резко снижает самопоглощение и позволяет получить высокие значения коэффициента вывода излучения.

В результате у лучших образцов излучателей этого типа η≈ 7-9%, а КПД 6-7%. У подобных им приборов с полусферической активной областью η≈ 20-30% и КПД 10- 5%. Однако большее время жизни носителей и протяженность активной области приводят к тому, что при протекании прямого тока накапливается избыточный заряд, рассасывание и рекомбинация которого проходят за 10^-7-10^-6 с.

Одинарная гетероструктура а на основе тройного соединения GaAlAs обеспечивает одностороннюю инжекцию дырок в базу и эффективную люминесценцию. Это следствие того, что область безызлучательной рекомбинации (дефекты на границе подложка - база) удалена от активной области. Вывод излучения проходит с минимальным поглощением. В итоге у лучших образцов η≈ З - 4% (при t_пер≈ 40-80 нс). Диапазон рабочих токов составляет 1-20 мА. Падение напряжения в прямом направлении около 1,2 В (при I_пр=10 мА). Напряжение пробоя 6—8 В. Барьерная емкость при нулевом смещении 100 пф.

В двойной гетероструктуре на основе того же тройного соединения GaAlAs возможно увеличение концентрации легирующей акцепторной примеси N_a при постоянной толщине базовой области. За счет этого растет граничная частота, но одновременно увеличивается туннельная компонента прямого тока, а внешний квантовый выход η уменьшается. Существует некоторое оптимальное значение N_a, при котором достигается максимальное произведение ηf_гр, представляющее собой обобщенный показатель эффективности излучателя в оптроне. Излучатели такого типа, как отмечалось, характеризуются значениями η≈ 2-2,5% и t_пер≈ 20-30 нс

Параметры СИД как элемента электрической цепи

Параметры СИД как элемента электрической цепи постоянного тока определяются его вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей вольт-амперных характеристик СИД связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов (рис. 9). Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на светодиоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик имеют малое допустимое обратное напряжение, так как ширина р-n перехода в СИД незначительна. При работе в схемах с большими обратными напряжениями последовательно с СИД необходимо включать обратный (не излучающий) диод.

Быстродействие СИД определяется инерционностью процесса излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 10). Время переключения t_пер складывается из времени включения t_вкл и выключения t_выкл излучения. Инерционность СИД определяется процессом перезаряда барьерной емкости (емкости p-n-перехода) и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области СИД.

Для СИД, работающих в режиме визуальной индикации, быстродействие оказывается второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза составляет около 50 мс, что много больше t_пер СИД. Для систем записи и считывания информации без визуализации, например для излучателей в оптронах, время переключения ИК-диода входит составной частью в общее время переключения оптоэлектронного прибора. В этих случаях стремятся сделать t_пер ИК-диода минимально возможным.

Важной особенностью СИД является присущая им деградация — постепенное 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 междуузлия. Снижение мощности излучения из-за деградации подчиняется экспоненциальному закону: