СВЕТОДИОДЫ

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 -