149938 (732474), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

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-

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-

Характеристики

Список файлов реферата