Физические основы работы светоизлучающих диодов

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требовани

я не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.

Излучательная характеристика

В зависимости от способа приема излучения СИД — визуального или невизуального — оптические свойства СИД описываются световыми или энергетическими параметрами. При визуальной передаче информации от СИД в случае их применения в знаковых индикаторах, при подсветке надписей и пусковых кнопок, для индикации состояния электронного в устройства и т.п. приемником излучения служит человеческий глаз. Невизуальная передача информации характеризуется тем, что обнаружение потока излучения от СИД, работающего обычно в ИК-диапазоне (ИК-диод), исключает человеческое зрение и осуществляется физическим фотоприемником. К невизуальной области применения СИД относятся, например, устройства считывания с перфокарт и перфолент вычислительных машин, всевозможные оптические устройства связи и сигнализации.

Эффективность СИД характеризуют зависимостями параметров оптического излучения от прямого тока через СИД и от длины волны излучения. Зависимость потока излучения Фе от прямого тока Iпр приводится для ИК-диодов и называется излучательной характеристикой (рис. 5). Для СИД визуального применения излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света Iυ от прямого тока Iпр. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через СИД, а не напряжение на СИД. Это связано с тем, что р-n переход СИД включен в прямом направлении и электрическое сопротивление СИД мало. Поэтому можно считать, что, прямой ток через СИД задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется.

При малых токах Iпр велика доля рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции в соответствии с выражением мал. С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.

Рис. 5. Излучательная характеристика СИД:

1 — участок характеристики при малых токах;

2 — участок характеристики при больших токах.

Дальнейшее увеличение Iпр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции, и снижению излучательной способности СИД. 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 определенном токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р-n перехода и от размеров электрических контактов.

Спектральная характеристика

Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой СИД. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Длина волны λmax излучения светодиода определяется по формуле:

где h – постоянная Планка, с – скорость света, E – ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если λmax измеряется в мкм, а Е – в Эв.

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 ∆λ0,5, из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.

Рис. 6. Спектральные характеристики СИД.

Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (∆λ/λmax<<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 λmax=565 нм — зеленый цвет. и λmax=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 λmax, доминирующая длина волны излучения λдом, сила света Iυ и угол излучения θ.

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

 Скачать реферат