СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Светоизлучающие приборы используются как управляемые источники света или как индикаторные устройства отображения информации.

В основе работы всех излучателей света лежат следующие физические явления:

1. температурное свечение – свечение нагретого тела (накальные индикаторы);

2. излучение, сопровождающее газовый разряд в газах (газоразрядные индикаторы);

3. электролюминесценция – это световое излучение, возникающее при воздействии электрического поля или тока;

4. индуцированное излучение.

Светодиоды

Светодиод – излучающий полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного оптического излучения.

Светодиоды применяются в оптических линиях связи, в индикаторных устройствах в оптронах и т.д.

Принцип действия светодиодов основан на самопроизвольной излучательной рекомбинации носителей заряда, инжектируемых через p-n-переход. Рекомбинация сосредоточена в p-n-переходе и в прилегающих к нему слоях полупроводника. Основную роль играет межзонная рекомбинация: электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, соединяясь с дыркой, энергия фотона определяется шириной запрещенной зоны. Внутренний квантовый выход h_ф определяется как отношение числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар.

Вероятность излучательной рекомбинации зависит от особенности структуры энергетических зон полупроводника. В процессах излучения и поглощения света должны выполняться законы сохранения энергии и импульса (квазиимпульса). Импульсом фотона обычно можно пренебречь, поскольку ого величина мала для видимого и инфракрасного света.

В прямозонных полупроводниках, у которых дно зоны проводимости и потолок валентной зоны располагаются при значении квазиимпульса , разрешены прямые оптические переходы, при которых квазиимпульс электрона сохраняется. Такие переходы не требуют участия третьей частицы (кроме электрона и дырки), и вследствие этого вероятность таких переходов высока. Каждая рекомбинация при прямом переходе сопровождается излучением фотона. Непрямые переходы происходят с участием фонона и вероятность излучения фотона мала.

Для излучения видимого света шириной запрещенной зоны должна быть в пределах 1,8 эВ £ DW=hn £ 3,2 эВ. Это требование сразу исключает использование германия и кремния в индикаторных светодиодах. Кроме того, они являются непрямозонными полупроводниками.

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяются арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC, трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAs_1-xP_x (0£x£1) и ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений.

К прямозонным полупроводникам относятся GaAs и GaAs_1-xP_x при 0£x£0,45. При возрастании x от 0 до 0,45 ширина запрещенной зоны соединения увеличивается от 1,42 до 1,98 эВ и преобладают прямые переходы. Дальнейшее увеличение содержания фосфора приводит к непрямым переходам и уменьшению квантового выхода. Чистый фосфид галлия относится к непрямозонным полупроводникам (DW=2,26 эВ) и квантовый выход незначителен.

Для увеличения квантового выхода в непрямозонных полупроводниках внедрением примесей создаются рекомбинационные центры (ловушки) вблизи дна зоны проводимости (донорные) и/или вблизи потолка валентной зоны (акцепторные). Инжектированные электроны попадают сначала на уровни донорных ловушек, которые затем захватывают дырку, излучая фотоны. Закон сохранения импульса выполняется путем передачи части импульса ловушке. Излучательные переходы между донорными и акцепторными ловушками позволяют получить генерацию света на различных длинах волн.

Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом. Даже при большом значении внутреннего квантового выхода внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения во внешнюю среду. Часть излучения теряется за счет самопоглощения, энергия фотонов при этом может быть передана электронам валентной зоны с переводом их в зону проводимости или свободным носителям в пределах одной зоны, может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой и некоторые другие виды поглощения.

Из-за высокого коэффициента преломления исходного материала большая часть излучения, падающее на плоскую границу раздела полупроводник-воздух претерпевает полное внутреннее отражение и, претерпев многократные отражения внутри кристалла, в конечном счете, теряется за счет самопоглощения. Применение сферической границы раздела позволяет уменьшить эти потери. На рис.7.12 приведено устройство такого светодиода, у которого база 3 выполнена в виде полусферического монокристалла полупроводника, 4 – эмиттер 1 и 2 – контакты. Для увеличения КПД светодиодов применяют также прозрачные полусферические покрытия из стекла и пластмасс с высоким показателем преломления, просветляющие покрытия внешней поверхности и т.д.

Основными характеристиками светодиодов являются:

· Яркостная – зависимость яркости от тока B(I);

· Спектральная – зависимость яркости, или силы света, или мощности от длины волны B(l), Ф(l), P_ф(l);

· Вольтамперная I(U).

Примеры вольтамперных характеристик светодиодов приведены на рис.7.13. Различия прямых ветвей ВАХ связаны с различной шириной запрещенной зоны полупроводниковых материалов.

Начальный участок яркостной характеристики нелинеен (рис.7.14). При малых напряжениях и соответственно при малых токах на светодиоде излучение не возникает. Рабочее напряжение должно превышать пороговое значение, которое определяется энергией излучаемого фотона: U_пор=hn/e. Яркость излучения светодиодов достигает значений в несколько сот кд/м².

Примеры спектральных характеристик светодиодов на основе различных материалов приведены на рис.7.15. Переход электронов при рекомбинации носителей происходит не между двумя определенными уровнями, а между двумя группами близко расположенных уровней, поэтому спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон светодиода характеризуется шириной спектральной характеристики, определяемой на высоте 0,5 от максимума.

На рис.7.15 штриховыми линиями показаны также спектральные характеристики чувствительности человеческого глаза V_l и кремниевого фотодиода.

Спектр излучения арсенид-галлиевого светодиода лежит в инфракрасной области, поэтому он не может применяться в индикаторных устройствах. Однако он широко применяется в оптических линиях связи, в оптронах и т.д.

Инерционность светодиодов характеризуется временами нарастания t_нр и спада t_сп импульса излучения, которые измеряются при подаче прямоугольного импульса тока по уровням 0,9 и 0,1 от максимальной яркости. Эти параметры определяется временем перезаряда емкости диода и составляют доли микросекунд.

КПД светодиода – отношение мощности излучения к потребляемой мощности – обычно не превышает нескольких процентов.