Физические основы работы светоизлучающих диодов

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 Тф фильтра определяется соотношением:

Тф(λ)= Lυ(λ)/Lυ0

где Lυ(λ) — яркость излучения с фильтром на длине волны λ; Lυ0 — яркость излучения без фильтра на длине волны λmax.

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 (λmax≈940 нм) и поглощения (λгр≈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 tпер≈ 40-80 нс). Диапазон рабочих токов составляет 1-20 мА. Падение напряжения в прямом направлении около 1,2 В (при Iпр=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 Na 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 Na, при котором достигается максимальное произведение ηfгр, представляющее собой обобщенный показатель эффективности излучателя в оптроне. Излучатели такого типа, как отмечалось, характеризуются значениями η≈ 2-2,5% и tпер≈ 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 tпер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл 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 tпер 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 tпер 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:

Фυ(t)= Фυ(0) exp(-t/τдег),

где Фυ(0) — исходная (начальная) мощность излучения СИД; τдег — постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации.

Для большинства СИД τдег =104 ч (вплоть до 105— 106 ч), однако у некоторых образцов срок службы не превышает 103 ч.

 Скачать реферат