Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 3

лампы накаливания больше греют, чемсветят. В связи с этим они имеют сравнительно низкую светоотдачу ∼10 лм/Вти КПД 1,6%. Более высокую эффективность имеют газонаполненные лампы накаливания, в которых стеклянные колбы наполнены инертным газом (N2, Ar2).В них замедляется распыление нити, поэтому температура накала может бытьповышена до 2700-2900 К, что обеспечивает уменьшение длины волны максимальной светимости и повышение светоотдачи до 20 лм/Вт и КПД до 3,5%.К достоинствам ламп накаливания можно отнести низкую стоимость, высокую температурную и радиационную стойкость, высокую интегральную яркость ~ (1-10)*106 кд/м2 (для сравнения – яркость поверхности Солнца равна1,5*1010 кд/м2). Недостатками ламп накаливания являются наличие вакуумнойсистемы, широкий спектр излучения, значительная инерционность (10-2- 10-1с),низкий КПД.Более распространенным в оптоэлектронных источниках излучения являетсяиспользование нетепловых источников излучения, использующих различныевиды люминесценции.Люминесценция — излучение, избыточное над тепловым и имеющее длительность значительно больше периода колебаний световой волны.

Перваячасть определения отделяет люминесценцию от теплового излучения, т.е. люминесценция является «холодным свечением» — энергия для излучения можетподводиться любым нетепловым способом. В то же время необходимо учитывать, что любой вид люминесценции сопровождается и тепловым излучениемтела, температура которого всегда отлична от нуля. Вторая часть определенияпозволяет отделить люминесценцию от процессов отражения света от поверхности и рассеяния излучения.Люминесценция сопровождается передачей энергии телу нетепловыми способами, когда энергия частиц, в частности, электронов увеличивается, и этотизбыток энергии расходуется на излучение фотонов. В веществе за счет энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных уровней переходит на более высокие, затем возвращаются с испусканием фотонов, длинаволны излучения определяется разностью энергий электронов – λ(мкм) =1,23/(Е2-Е1) (эВ).

Люминесценция подразделяется по способу подвода энергиина фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию, радиолюминесценцию, хемилюминесценцию и др. В оптоэлектронике в источниках излучения используются в настоящее время в основном процессы электро-,катодо- и фотолюминесценции.Явление электролюминесценции используется в твердотельных источникахизлучения, где в качестве материалов применяются полупроводниковые вещества. В полупроводниках ширина запрещенной зоны, определяющей энергиюперехода электронов, соответствует энергии квантов оптического диапазона.Соответственно, энергия возбужденных электронов должна совпадать по порядку величины с энергией возбуждения и энергией излучаемых фотонов. Часто возбуждение электронов происходит в одном месте кристалла или во всемего объеме, а их квантовые переходы с излучением – в другом, поэтому в общем случае процессов люминесценции рассматриваются 3 основных процесса.121.

Возбуждение внешним воздействием, перевод электронов в возбужденноесостояние.2. Передача энергии центрам свечения, связанная с изменением пространственного и (или) энергетического положения возбужденных электронов.3. Переход электрона, сопровождающийся излучением фотона.К основным электронным переходам с излучением относятся следующие(рис. 3.):ЕсД213А4EvРис.

3. Излучательные переходы электронов в запрещенной зоне полупроводника.Межзонные излучательные переходы (1) с излучением возможны лишь впрямозонных полупроводниках (например, GaAs и другие соединения А3В5 иих твердые растворы). Излучательные переходы 2, 3, 4 возможны в любых полупроводниках, но с участием примесных уровней.

Примеси в этом случае носят название центров свечения или активаторов и в общем случае включают всебя системы, состоящие из комплексов дефектов и примесей, обеспечивающихизлучательные переходы электронов. Излучательные переходы 1, 2, 3 включают в себя участие свободных носителей (электронов и дырок) в зонах проводимости и валентной, т.е. связаны с изменением проводимости полупроводника.Данные процессы объединяются названием рекомбинационная люминесценция. Излучательные переходы электронов с возбужденного на основной уровень (4) происходят только лишь в пределах одного примесного центра, т.е. несвязаны с изменением концентрации свободных носителей и проводимости полупроводника.

В этом случае говорят о внутрицентровой люминесценции. Различные виды рекомбинационной и внутрицентровой люминесценции обладаютразными характеристиками.Кроме центров свечения в полупроводниках могут существовать примеси,образующие центры тушения (гашения), которые могут служить центрами безызлучательной рекомбинации, снижающими эффективность процессов излучения. Вероятность излучательных процессов с участием примесных центроввозрастает с ростом их концентрации до определенного предела, с превышением которого эффективность генерации излучения уменьшается (концентрационное тушение). С ростом температуры полупроводника выход излучения также уменьшается (температурное тушение). При высоких уровнях возбуждениявозможно появление Оже-рекомбинации, когда энергия электрона передаетсядругим электронам в зоне проводимости, они переходят на более высокий уровень энергии без изменения их общей концентрации и значения проводимостиполупроводника.

Вероятность Оже-рекомбинации возрастает с увеличениемконцентрации свободных носителей заряда в полупроводнике.13Соотношение между числом излучательных и безызлучательных переходовопределяет внутренний квантовый выход ηк, равный отношению числа фотоновк числу электронов, прошедших через полупроводник.

Для некоторых видовлюминесценции внутренний квантовый выход приближается к единице, особенно при достаточно низких температурах. Так как не все фотоны выходят изисточника излучения, он характеризуется внешним квантовым выходом ηке =ηк*К0, где коэффициент К0 учитывает потери, связанные с отражением и поглощением света. Внутренний квантовый выход определяется тремя составляющими - ηк = N*γ*P, где γ - доля рекомбинаций, происходящих в люминесцирующей области полупроводника, Р - доля излучательных рекомбинаций, N число рекомбинаций, вызываемых одним электроном.

Величина внутреннегоквантового выхода уменьшается с ростом температуры. Внешний энергетический выход (КПД) люминесценции, определяется как ηе = ηкеhν/еV, где hν энергия фотонов (Дж), еV - энергия электронов (Дж), прошедших разность потенциалов V. Аналогичный параметр - светоотдача характеризует эффективность источников излучения в видимом диапазоне - ηL = ФL/W, где ФL - световой поток излучения (лм), W - потребляемая источником мощность (Вт).Основные параметры источников излученияСистема параметров источников излучения логически следует из функционального назначения и физических принципов работы двух их основных разновидностей: излучающих диодов и лазеров.Интенсивность излучения характеризует мощность излучения Ризл (мВт) (длялазеров и инфракрасных излучающих диодов); сила света Jv (мккд, мкд) (длясветоизлучающих диодов).

Оба параметра измеряются при заданном номинальном или рабочем токе возбуждения Jраб лазеров и прямом токе Jпр излучающих диодов. В связи с сильной зависимостью Ризл (Jраб) при измерении лазеров во избежание вывода их из строя устанавливается требуемая мощность иизмеряется ток накачки.Спектральные свойства источников излучения определяются длиной волны,соответствующей максимальной интенсивности спектра излучения λмах, (мкм,нм); шириной спектральной полосы ∆λ, (нм), определяемой по 50%-ному уровню спада интенсивности.

Для излучающих диодов и лазеров этих параметровобычно достаточно, для некоторых применений иногда требуется задаватьспектральное распределение Ризл(λ) или координаты цветности х, у.Для характеристики направленности измеряют угол излучения α, определяемый по 50% уровню спада интенсивности или диаграмму направленностиРизл(ϕ) - зависимость мощности излучения от угла обзора.Быстродействие определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса возбуждения tнар(сп), (нс), и временем задержки импульса излучения tзад, (нс). Эти параметры измеряются по уровню 0,1 и 0,9 фронта и спадаимпульса излучения.

Иногда используется постоянная времени релаксации14(спада) свечения τрел, определяемая как время изменения интенсивности в е раз(при экспоненциальном спаде).Как элемент электрической цепи источник излучения характеризуется падением прямого напряжения (или напряжением возбуждения) Vпр при заданномтоке Jпр, а так же максимально допустимым режимами (непрерывным и импульсным) по току, обратного напряжения, мощности рассеивания.Основные конструктивные параметры: размеры излучающего окна, тепловоесопротивление Rт (К/Вт).Основные эксплутационные показатели: максимальная и минимальная рабочая температура (Tmax,Tmin), гарантированная долговечность tД (определяется по10, 30 или 50%-му спаду интенсивности излучения).Для описания источников излучения могут использоваться так же и другиепараметры.СветодиодыСветоизлучающий диод (СИД) представляет собой р-n переход, контакт металл–полупроводник, МДП или другую диодную структуру, прохождение токачерез которую сопровождается некогерентным оптическим излучением.

Еслигенерация света происходит в результате инжекции неосновных носителей заряда с их последующей рекомбинацией, то СИД называется инжекционным.Наиболее распространены инжекционные излучающие диоды с гомо- или гетеро- р-n переходом.При прямом смещении р-n перехода происходит инжекция электронов в робласть и дырок в n-область. Неосновные носители заряда рекомбинируют сосновными в ОПЗ и прилегающих областях, поэтому толщина n- и р-областейдолжна быть больше диффузионных длин неосновных носителей заряда (Ln,p).Генерируемый диодом поток излучения (число квантов в единицу времени)зависит от приложенного напряжения следующим образом (с использованиемвыражения для ВАХ p-n перехода и условием преимущественной рекомбинации вне ОПЗ):Ф = S*K0( Pn*Dn*np/Ln + Pp*Dp*nn/Lp)*[ exp (eV/kT) – 1],где S – площадь р-n перехода, К0 – оптический выход, Рр и Рп – квантовыйвыход.

Квантовый выход Pп,р= γ⋅r, где γ = Jинж(п,р)/Jполн — коэффициент инжекции, который характеризует эффективность перехода, r = Ri/(Ri+Rn) — вклад(доля) излучательной рекомбинации в общем рекомбинационном процессе(Ri, Rn – скорости излучательной и безызлучательной рекомбинации).Обычно вклад инжекции электронов и дырок сильно различается, т.е. имеетместо почти односторонняя инжекция неосновных носителей заряда в ту область кристалла, где условия для излучательной рекомбинации более благоприятны (например, для электронов), тогда зависимость потока излучения от приложенного напряжения, тока и температуры имеет следующий вид:15Ф = S*K0*Pn*Dn*np/ Ln*exp (eV/kT) = S*K0*Pn*J/e.(Единица после экспоненты опущена, т.к. eV>>kT).Для излучения, близкого к монохроматическому, мощность излучения находится умножением потока на энергию генерируемых квантов.Поток излучения инжекционного СИД сильно зависит от напряжения, темрезче, чем ниже температура.

Отсюда следует необходимость стабильности рабочего напряжения. Так как поток излучения линейно зависит от тока (Ф ~ J),целесообразно СИД питать от источника, работающего в режиме генераторатока. При больших токах возрастает падение напряжения на последовательновключенных участках, поэтому реальная зависимость потока излучения от напряжения становится менее резкой, отставая от экспоненты. Предполагается,что квантовый выход Рп – постоянная величина. На практике постоянство наблюдается в узком интервале изменения значений тока, поэтому для данногоСИД (заданной площади) существует оптимальный (с точки зрения эффективности) режим работы.Если рекомбинация носителей происходит в основном в области пространственного заряда (ОПЗ) р-n перехода выражение для потока излучения усложняется.