Основные характеристики cветодиодов

Основной характеристикой cветодиода как cветоизлучающего прибора является, прежде всего, его спектральная характеристика. Цвет излучения светодиода определяется длиной волны главного максимума спектральной характеристики lmax. На рис. 12 для примера приведены типовые спектры излучения (зависимости силы света IV от l) промышленных фосфидгаллиевых светодидов АЛ102 и ЗЛ102А-Д. Кривая 1 на этом рисунке — для cветодиодов красного цвета свечения, а кривая 2 – для cветодиодов зеленого цвета свечения.

Эффективность cветодиода как прибора, преобразующего электрическую энергию в световую, характеризуется внешним квантовым выходом излучения h_внеш, определяемым как

h_внешн=h_внgiK_опт. (49)

В этом выражении g_i - коэффициент инжекции, введенный выше [см. (48)], h_вн - внутренний квантовый выход излучения. Величина внутреннего квантового выхода определяется относительным числом актов излучательной рекомбинации в общем количестве актов рекомбинации инжектированных в базу светодиода неравновесных носителей в единицу времени.

Из этого определения следует, что

h_вн=t_n/t_r, (50)

где t_r — излучательное время жизни, t_n — полное время жизни неравновесных носителей. На рис. 13 приведена зависимость h_вн от плотности полного тока I для GaР светодиодов. При малых значениях I диффузионная составляющая прямого тока мала, и в основном он обусловлен туннельными переходами носителей и бeзызлучательной рекомбинацией внутри и вне области пространственного заряда p—n перехода. Как следствие этого, hвн при малых токах невелик и резко нарастает с увеличением I до тех пор, пока диффузионная компонента не становится преобладающей в токе диода. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к насыщению излучательных центров и к уменьшению квантового выхода.

Величина К_опт (49), зависящая от конструкции светодиода, называется коэффициентом вывода света, или оптической эффективностью, и характеризует потери излучения на: а) самопоглощение, б) поглощение омическими непрозрачными контактами и поверхностным слоем кристалла, в) многократное внутреннее отражение на границе кристалл-воздух и др. Оптическая эффективность является основным фактором, определяющим внешний квантовый выход. Как правило, более чем 40-80% генерируемого света не выходит из диода.

Одной из основных характеристик светодиода является яркостная характеристика, т.е. связь между яркостью L и величиной тока, протекающего через диод. По определению яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах (кд) на квадратный метр. В свою очередь сила света Iv - световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (люмен на стерадиан). В оптоэлектронных устройствах рабочим является почти линейный участок характеристики L=¦(I) , а нелинейный (начальный) характеризуемый низкой яркостью, не используется. На линейном участке яркостную характеристику аппроксимируют следующим выражением:

L=L₀(I-I₀)^c, (51)

где L₀, c и I₀ - постоянные, которые зависят от типа диода, параметров материала, характеристик контактов и температуры. В рабочем диапазоне изменение яркости c имеет обычно значения 0,92-1,05. При больших значениях плотности тока через диод I наблюдается тенденция к насыщению яркостной характеристики L=f(I) вследствие полного заполнения излучательных центров. Для светодиодов характерно явление деградации яркости с течением времени при работе в номинальном режиме и особенно при повышенной температуре.

Светодиод как точечный источник света характеризуется диаграммой направленности, которая определяется его конструкцией, наличием линзы, оптическими свойствами материала. Свечение диода может быть узконаправленным и рассеивающим.

Как элемент электрической цепи, светодиод характеризуется вольт-амперной характеристикой, близкой к характеристике обычного выпрямительного диода. Характерным для кривой светодиода является наличие начального порога включения 1,5 -2,2 эВ и почти линейность на рабочем участке.

Применение. Светодиоды обладают рядом достоинств по сравнению с другими источниками света. Спектр излучения различных светодиодов перекрывает весь видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область спектра, а малая ширина спектральной линии дает возможность получить высокую интенсивность излучения при малой подводимой мощности, т. е. высокий КПД h (h =P_изл/IV, P_изл - мощность излучения; I -ток через диод; V - напряжение на диоде). По своему быстродействию (время разгорания и затухания свечения составляет 10-7 – 10-9с) и миниатюрности инжекционные светодиоды намного превосходят известные источники излучения (например, газоразрядные приборы и лампы накаливания). Все это позволяет конструировать на основе светодиодов быстродействующие интегральные оптоэлектронные схемы. Светодиоды обладают рядом преимуществ и как элементы индикации: малыми габаритами, низким напряжением питания, набором различных цветов свечения, устойчивостью к механическим воздействиям, большим сроком службы.

Схема измерительной установки исследования фотодиодов:

Рис.14. 1-блок питания светодиода; 2-светодиод; 3-монохроматор; 4-фотоприёмник; 5-фоторегистратор; 6-нагреватель и термопара; 7-регистратор температуры