Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

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   │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │ красный │       │      │         │       ║

║ АЛ307А │  GaAlAs  │ ─────── │   1   │   2  │  ────   │       ║

║        │          │   700   │       │      │  0,15   │       ║

╙────────┴──────────┴─────────┴───────┴──────┴─────────┴───────╜

.

                             - 14 -

╓────────┬──────────┬─────────┬───────┬──────┬─────────┬───────╖

║        │          │ красный │       │      │         │       ║

║ АЛ307Б │  GaAlAs  │ ─────── │   1   │   2  │  ────   │       ║

║        │          │   700   │       │      │   0,6   │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │    6    │       ║

║ АЛ107А │   GaAs   │   920   │  100  │   2  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │    1    │       ║

║ ЗЛ103А │   GaAs   │   900   │  50   │ 1,6  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │    2    │       ║

║ TIXL05 │   GaAs   │   900   │  750  │ 1,8  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │  0,05   │       ║

║ TIL01  │   GaAs   │   900   │  50   │ 1,3  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╚════════╧══════════╧═════════╧═══════╧══════╧═════════╧═══════╝

 ш0

                   3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.

     В рассмотренных до сих пор светодиодах для  получения  раз-

личного цвета  излучения  необходимо было использовать различные

полупроводниковые материалы.  Однако  можно  создать  монолитные

структуры на  основе  светодиодов,  которые  в зависимости от их

включения или соотношения токов в них будут излучать в различных

спектральных областях (рис. 6). Проще всего такие структуры реа-

лизуются на фосфиде галия,  который в зависимости от введённых в

него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для это-

го на кристалле фосфида галия создают два pn-перехода,  один  из

которых излучает красный,  а другой зелёный свет. При смешивании

обоих обоих цветов получается жёлтый цвет.

     Используя три вывода от структуры, можно отдельно управлять

обеими полупроводниковыми системами.  Когда оба  основных  цвета

(красный и  зелёный) излучаются одновременно,  человеческий глаз

                             - 15 -

воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так

же путём изменения величины тока, текущего через элементы свето-

диода, удаётся изменять  цвет  излучения  от  жёлто-зелёного  до

красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелё-

ное - находятся на краях цветовой шкалы.  Когда требуется  полу-

чить излучение  определённого  цветового  восприятия,  лежащее в

данной цветовой области,  необходимо перед кристаллом GaP распо-

ложить соответствующие фильтры,  слабо поглощающие красные и зе-

лёные лучи.

     Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпози-

ционных (красный - жёлтый -  зелёный  -  выключенное  состояние)

сигнализаторов. Они  находят применение в многоцветных буквенных

и цифровых индикаторах,  а также в цветоаналоговых  сигнализато-

рах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую

электронику, с их помощью можно  контролировть  степень  зарядки

батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использо-

вать в качестве оптических индикаторов скорости.

                 4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.

     Для миниатюрных устройств отображения информации широко ис-

пользуются светодиоды  на основе арсенида-фосфида галия (GaAsP),

галия-алюминия-арсенида (GaAlAs),  а также фосфида галия  (GaP).

Все они  высвечивают в видимой области спектра,  характиризуются

большой яркостью,  большим  быстродействием  и  большим   сроком

службы.

     Для изготовления светодиодов,  цифровых  и  цифро-буквенных

дисплеев  из таких материалов используются технологические мето-

                             - 16 -

ды, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зави-

симости  от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по

монолитной,так и по гибридной технологии.  В первом  случае  это

интегральный блок светодиодов,  выполненный на одном полупровод-

никовом кристалле.  Так как размеры кристалла ограничены, то мо-

нолитные индикаторы - индикаторы малых размеров.  Во втором слу-

чае излучающая часть индикатора представляет собой сборку  диск-

ретных светодиодов на миниатюрной печатной плате.  Гибридный ва-

риант является основным для для средних и  больших  светодиодных

индикаторов.

     Для светодиодных индикаторов разработаны и  стандартизованы

схемы управления и согласования на серийных интегральных схемах,

что упрощает их схемотехнику и расширяет области применения.

     Размеры рабочего кристалла светодиода малы  (400 7& 0400  мкм).

Излучающий кристалл - это светящаяся точка.  Для того же,  чтобы

хорошо различать символы и цифры,  их размеры не должны быть ме-

нее 3  мм.  Для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла в

дисплее применяют линзы, рефлекторы, фоконы. Размеры знаков - от

3 до 1,5 мм и от 25 до 50 мм,  что позволяет визуально контроли-

ровать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.

     Индикаторы на  светодиодах  изготовляются двух типов:  сег-

ментные (цифровые) и матричные  (универсальные).  Семисегментный

индикатор позволяет  воспроизводить  все десять цифр (и точку) и

некоторые буквы.  Матричный индикатор содержит  7 7& 05  светодиодов

(светящихся точек) и позволяет воспроизводить все цифры, буквы и

знаки стандартного кода для обмена информацией.

     Оба типа  индикаторов могут выполняться как одноразрядными,

                             - 17 -

так и многоразрядными, что позволяет создавать на их основе сис-

темы отображения различной сложности.

.

                             - 18 -

                          Литература.

1. Нососв  Ю.Р.  Оптоэлектроника.  Физические основы,  приборы и

   устройства. М. 1978.

2. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической авто-

   матики. М. 1979.

                          Оглавление.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.                          1

1.1. Предмет оптоэлектроники.                                  1

1.2. Генерация света.                                          3

1.3. Источники излучения.                                      5

2. СВЕТОДИОДЫ.                                                 8

2.1. Конструкция светодиодов.                                 11

2.2. Свойства светодиодов.                                    12

3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.                                    14

4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.                                 15