Электрическая модель светодиода

Эквивалентная схема светодиода приведена на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Электрическая модель светодиода

Время включения и время выключения излуче­ния p-n - перехода из арсенида галлия определяется временем жиз­ни неосновных носителей в p-слое и составляет около 1 нс. Однако, в реальных излучателях время световой реакции несколь­ко больше и зависит от уровня возбуждения и приложенного напряжения.

Светодиод из арсенида-фосфида галлия (GaAs_1-xP_x), полученного диффузией цинка в эпитаксиальную пленку n-типа с концентрацией носителей 2,7 10¹⁷ см^-3 и удельным сопротивлени­ем 0,014 Ом см имеет C_Д = 185 пФ при площади диода 0,25 мм², а последовательное сопротивление r_П примерно – 1 Ом.

Для светодиодов время задержки определяется как время, требуемое для достижения интенсивности излучения, соответству­ющей половине интенсивности для установившегося процессе. Оно составляет (5÷10) нс при токе возбуждения 10 мА и уменьшается до (2÷3) нс при токе возбуждения 100 мА. Увеличение время за­держки по сравнению с временем жизни неосновных носителей в несколько раз связано с емкостью C_Д, индуктивностью L (обусловленной подводящими проводниками) и активным сопротив­лением диода r_П. Сопротивление равно сумме сопротив­ления внешней цепи и последовательного сопротивления диода.

Емкость диода зависит от приложенного напряжения

, (3.5)

где С₀ – емкость при нулевом смещении;

U_ПР – прямое напряжение смещения;

U_К – напряжение контактной разности потенциалов;

a – коэффициент, зависящий от характера распределения примесей в диоде.

Диффузионная емкость составляет примерно 200 пФ при мак­симальном токе и быстро уменьшается при уменьшении тока. Ею можно пренебречь по сравнению с емкостью запорного слоя, сос­тавляющей примерно 1000 пФ. В соответствии с электрической моделью, полный ток через диод равен сумме реактивного тока I_С через емкость и тока I_Д через резистор r_Д. Ток через р-n - переход в стационарном режиме, равный току I_Д состоит из диффузионного тока I_ДИФ, определяющего величину излучения и рекомбинационного тока I_РЕК в области объемного заряда

(3.6)

, (3.7)

где m – коэффициент, зависящий от механизма рекомбина­ции.

Дифференциальное уравнение для напряжения на p-n - переходе при подключении напряжения U₀(t) имеет вид:

(3.8)

где Iд – ток диода в стационарном режиме.

Так как излучение из p-n - перехода пропорционально диф­фузионного току, переходная характеристика интенсивности све­та при любом зависящем от времени напряжении U₀(t) может быть получена решением уравнения и подстановкой значе­ния U_np(t) в уравнение (3.8).

В частности, проведены расчеты для следующих значений параметров

C_o =230 пФ × В^1/2 , U_К = 1,65 B, a = 0,5, I₀₁ = 2,2 × 10^{-28 A,}

I₀₂ = 2,2 × 10^{-14 A}, r_П = 51 Ом, L = 8 нГн, Т = 300 К.

Оценки показывают, что влияние индуктивности на время пере­ходного процесса сказывается при временах меньше 1 нс. Пере­ходной процесс аналогичен переходному процессу в линейной цепи с емкостью C_Д и сопротивлением r_П. Эксперименталь­но определенные задержки превышают теоретические, что объяс­няется влиянием диффузионной емкости, которая не учтена в рас­чете. Анализ показывает, что для увеличения быстродействия необходимо уменьшить внешнее сопротивление, площадь излучаю­щей поверхности, увеличивать плотность тока и напряжение сме­щения.