109039 (707861), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно легируются соответствующими примесями или их состав сильно варьируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия легируется 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. Поэтому 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 энергии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью (или к.п.д.).

число эмиттированных квантов света

7h 0 = ──────────────────────────────────────────

число инжектированных неосновных носителей

Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинстве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значении коэффициентов преломления используемых проводников (для арсенида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекобинационного излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём, превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яркости 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 уступают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.

Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева и микрофонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.

Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в пределах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по сравнению со случаем применения фильтров для монохроматизации излучения немонохроматического источника.

2.1. Конструкция светодиодов.

В излучателе плоской конструкции излучающий переход 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.

Геометрические размеры полусферической конструкции светодиода таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излучение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нормалью, 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 эпоксидной смолы, выполняющей роль линзы. Смола имеет коэффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.

Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.

В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения светодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов выполняется такой конструкции.

Светодиоды могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их размеры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

2.2. Свойства светодиодов.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична вольт-амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопротивление 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 кремниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В статическом 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 диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости . Это необходимо иметь в виду, когда светодиод используется 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 сокращается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокращается до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его максимально допустимым паспортным значением не рекомендуется.

Спектральный состав излучения светодиодов определяется материалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.

В табл. 2 даны основные параметры некоторых промышленных типов светодиодов.

Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов.

3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.

В рассмотренных до сих пор светодиодах для получения различного 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. Проще всего такие структуры реализуются на фосфиде галия, который в зависимости от введённых в него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для этого 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 воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так же путём изменения величины тока, текущего через элементы светодиода, удаётся изменять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелёное - находятся на краях цветовой шкалы. Когда требуется получить излучение определённого цветового восприятия, лежащее в

данной цветовой области, необходимо перед кристаллом GaP расположить соответствующие фильтры, слабо поглощающие красные и зелёные лучи.

Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпозиционных (красный - жёлтый - зелёный - выключенное состояние) сигнализаторов. Они находят применение в многоцветных буквенных и цифровых индикаторах, а также в цветоаналоговых сигнализаторах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую электронику, с их помощью можно контролировть степень зарядки батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использовать в качестве оптических индикаторов скорости.

4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.

Для миниатюрных устройств отображения информации широко используются 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 цифробуквенных дисплеев из таких материалов используются технологические методы, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зависимости от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по монолитной,так и по гибридной технологии. В первом случае это интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то монолитные индикаторы - индикаторы малых размеров. Во втором случае излучающая часть индикатора представляет собой сборку дискретных светодиодов на миниатюрной печатной плате. Гибридный вариант 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 менее 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 контролировать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.

Индикаторы на светодиодах изготовляются двух типов: сегментные (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, так и многоразрядными, что позволяет создавать на их основе системы отображения различной сложности.

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

Характеристики

Список файлов реферата