родействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5
В) и токи (10...100 мА).
.
- 7 -
ш1.5
Л+
Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.
╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗
║ Полупро- │ 4o 0 5 0│ Цвет │Эффектив-│ Быстродействие, ║
║ водник │ 7l 0,A │ │ность, % │ нс ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaAs │ 9500 │ ИК │ 12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
║ │ 9000 │ │ 2 │ 10 5-9 0...10 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaP │ 6900 │ Красный │ 7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
║ │ 5500 │ Зелёный │ 0,7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaN │ 5200 │ Зелёный │ 0,01 │ ║
║ │ 4400 │ Голубой │ 0,005 │ ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaAs 41-x 0P 4x 0 │ 6600 │ Красный │ 0,5 │ 3 77 010 5-8 0 ║
║ │ 6100 │ Янтарный │ 0,04 │ 3 77 010 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ Ga 41-x 0Al 4x 0As │ 8000 │ ИК │ 12 │ 10 5-8 0 ║
║ │ 6750 │ Красный │ 1,3 │ 3 77 010 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ │ 6590 │ Красный │ 0,2 │ ║
║ In 41-x 0Ga 4x 0P │ 6170 │ Янтарный │ 0,1 │ ║
║ │ 5700 │ Желто- │ 0,02 │ ║
║ │ │ зелёный │ │ ║
╚════════════╧══════╧══════════╧═════════╧═════════════════╝
ш0
Л-
Излучатели на основе люминофоров представляют собой порош-
ковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной
прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор
на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под
действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие
светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров
(от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных
метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из
- 8 -
них знако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, кар-
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-