Свето-излучающие диоды и их применение - Мухитдинов М.
Скачать (прямая ссылка):
В соответствии с квантовой теорией возбужденный электрон, инжектированный в базовую область, рекомбинируя с дыркой, испускает квант энергии излучения. При этом максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации, равна ширине запрещенной зоны данного полупроводника:
Д g =hv,
где h — постоянная Планка; v — частота колебаний электромагнитной энергии (рис. 1.2).
Основные материалы из элементов AIIIBV, применяющиеся в настоящее время для изготовления СИД, приведены в табл. 1.1.
Изготовить СИД можно из различных элементов. На рис. 1.3 приведена гистограмма, отражающая возможности изготовления СИД, излучающих в видимой части спектра.
Ток, протекающий через СИД, содержит электронную in и дырочную iv составляющие: ia = in+ip. В излучательной рекомбинации участвует только ток, обусловленный инжекцией электронов в базу. Показатель эффективности излучающего р-п перехода — внутренний квантовый выход — определяется по формуле [5]
¦Чвн :
('п/Ч
где Мф—интенсивность генерации фотонов в базовой области, q — заряд электрона.
Т аблица 1.1 Таблица 1.2
Материал Перекры- ваемая область спектра, мкм
SiC, InGaP, GaN 0,4.. .0,68
GaP, GaAsP 0.6,..0,7
GaAs, GaAsP, 0,7.„0,95
GaAbAs
GaAsSb, AlGaAsSb 1,0...2,0
InGaAsP—InP 1,0...2 1
InGaAsSb—GaSb 1 >8...4,0
InGaAsSb—InAs
InAs, InGaAs
Тип источника Темпера- турный Температур-
диапазон, ный коэффи-
°С циент, %/°с
СИД на основе
GaP —40.. .+60 —(0,14...0,21)
СИД на основе
SiC, использующие рекомбинационное
излучение —30...+60 —(0,3...0,8)
СИД на основе
SiC, использующие предпробойное излучение —30...+60 —(0,05...0,24)
Лавинные излучатели без р-п перехода —30...+60 —(0,5...0,75)
5
Рис. 1.3. Возможности изготовления еветоизлучав»-щих диодов из различны* элементов
Ш 510 600 Я, им
Однако следует отметить, что не все фотоны, возникшие в результате излу-чательных рекомбинаций, могут покинуть пределы прибора. Часть из них поглощается по пути к оптической поверхности диода, а часть отразится от поверхности внутрь. Излучательная эффективность с учетом этих потерь характеризуется внешним квантовым выходом излучения
Явнешв = Лвк V К— ~ — V К у
‘п/?
где у — коэффициент инжекции р-п перехода; К—коэффициент, характеризующий потери излучения при его выводе из СИД через оптическую систему.
Светоизлучающие диоды в зависимости от спектра излучения подразделяются на излучающие в видимой области спектра (0,45... 0,68 мкм) и излучающие в инфракрасной области спектра (выше 0,7 мкм).
К основным характеристикам СИД относятся:
яркостная характеристика (для СИД видимого спектра излучения) L = ¦=/(Лip)> где /пр — прямой ток, протекающий через СИД;
диаграмма направленности излучения;
вольт-амперная характеристика Inv = f{U);
мощностная характеристика (для СИД инфракрасного спектра излучения)
РИЗД =/ (/пр) •
К основным параметрам СИД относятся [6]:
Ф — сила света — световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла; измеряется в канделах (люмен на стерадиан);
L — яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности; измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м2);
(/цр — напряжение на СИД при протекании через него постоянного прямого тока;
/,р ти — максимально допустимый постоянный прямой ток, при котором ^ обеспечивается заданная надежность при длительной работе;
/и max — максимально допустимый прямой импульсный ток через СИД, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;
Рхзл — мощность излучения измеряется в милливаттах (мВт)
10
,-т
10
10 '
10
-2
GaJ,sPH gaAsPfi
10
10
-5
/г
ZnSe
/ОаР-И
In S
гпТе
SiC-Al,H
ZntfgTe
Ч'
GaP'-ZnO
GaAsP
\
6
Ризл.и — импульсная мощность излучения — амплитуда потока, излучаемого СИД в импульсе;
t/обрта* — максимально допустимое обратное напряжение;
Яша*—длина волны излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики СИД;
ДАо,5 — ширина спектра излучения —• интервал длин волн, в котором мощность излучения СИД составляет половину максимальной;
^ир.нзл — время нарастания излучения — интервал времени в момент включения, в течение которого мощность излучения диода изменяется от 0,1 до 0,9 своего максимального значения; ^сп.изл — время спада излучения — интервал времени в момент выключения, в течение которого мощность излучения диода изменяется от 0,9 до 0,1 своего максимального значения.
В приложении приведены основные характеристики и параметры серийно выпускаемых СИД. В последнее время СИД широко применяются в устройствах контроля различных качественных и количественных параметров веществ и материалов [23]. В этих устройствах наиболее часто используются СИД, излучающие в ближней ИК-области спектра. На этот диапазон спектра разработаны СИД на основе твердых растворов антиманидов индия — галлия [3]. Такие СИД должны иметь достаточно высокий КПД, хорошую герметизацию и направленный поток излучения. Однако внешний квантовый выход этнх приборов ограничивается большими потерями излучения, связанными с поглощениями внутри кристалла и очень малыми критическими углами. Этн потери могут быть уменьшены, если одной из областей р-п структуры придать форму сферы Вей-ерштрасса или использовать покрытия из халькогенидных стекол i[4]. Покрытия также выполняются в виде сферы Вейерштрасса или усеченного эллипсоида. Диаметр сферы выбирается в 4 раза больше линейных размеров СИД.
