Светоизлучательные диоды

Светоизлучающие диоды (СИД) в современной МЭА являются самыми массовыми по численности и сферам применения. Это обусловлено их уникальными характеристиками: кристаллы СИД - самые миниатюрные источники света, их размеры обычно не превосходят 0,3x0,3x0,3 мм, они не требуют вакуумирования в стеклянную колбу надежны, работают при малых токах и напряжениях и хорошо совместимы с ТТЛ-схемами.

Явление люминесценции в естественных р-п, переходах карбиде кремния было открыто советским ученым Лосевым еще в 1923 году, умышленные разработки СИД ведутся с 1962 года; к настоящему времени световую эффективность СИД удалось повысить в десятки рва путем физических, технологических и конструктивных усовер­шенствований.

Физические основы работы СИД

В основе принципа работы СИД заложено явление излучательной рекомбинации, то есть излучение света при прохождении прямого тока через р-п переход [I]. Рассмотрим это явление в простом р-п переходе, как показано на рис. 2. В исходном состоянии две участка р - и п - типа одного и того же полупроводникового материала изолированы друг от друга, их зонные диаграмма представ­лены на рис.2.а. При плотном соприкосновении этих участков, а еще лучше при изготовлении их в едином монокристалле уровни Ферми E_F выравниваются, а зонная диаграмма в переходной области становится ступенчатой. При приложении к р-п переходу прямого напряжения высота ступеньки уменьшается и носители заряда (электроны) инжектируются в р-область. Здесь они, являясь не основными носителями, рекомбинируют с дырками. При этом высвобождается энергия в виде кванта излучения (фотона), равная ширине запрещенной зоны, то есть hυ>>∆E .

Рис.2. Механизм излучательной рекомбинации: а - материалы p- и n- типа изолированы друг от друга; б - области р и n возданы в едином монокристалле; в - к р-п переходу приложено прямое напряжение, ∆E -ширина запрещенной зоны, E_F -уровень Ферми, hυ- энергия кванта.

Кроме того, возможна безызлучательная (фононная) рекомбинация, когда электрон рекомбинирует на примесных уровнях в запрещенной зоне. Для характеристики из­лучательной рекомбинации введено понятие внутренней квантовой эффективности η_внутр, равной отношению количества излученных фотонов к количеству электронов, инжектированных через р-п переход:

[фотон/электрон],

где τ _изл - время жизни инжектированного электрона по отношению к излучательному переходу; τ _{без изл} - то же по отношению к безызлучательному переходу.

В практически используемых ОВД η_{внутр =} 0,3-0,9.

Рассмотренная картина является простейшей, она описывает только некоторые СИЛ. Реальные СИД имеют более сложную зонную диаграмму, показанную на рис. 3. В координатах энергия Е, квазиимпульс ¯к зонная диаграмма многих полупроводниковых материалов имеет два минимума. Законы квантовой механики разрешают переход,

а) б)

Рис 3. Рекомбинация в не прямозонном полупроводнике: а-непосредственная рекомбинация; б - рекомбинация через экситонные центры; I - зона проводимости, 2 –валентная зона; 3 - прямозонный переход; 4 - не прямозонный переход; 5 - уровень экситонного центра.

при которых остается постоянным, поэтому рекомбинация элек­трона из более глубокого минимума зоны проводимости практичес­ки невозможна (не прямозонный переход запрещен).

Для того чтобы сделать такие переходы возможными, вводят "экситонные центры" рекомбинации. Механизм действия этих центров заключается в следующем: в кристаллическую решетку внедря­ются атомы примеси, имеющие такую же валентность, как атомы ре­шетки, но меньший порядковый номер в периодической таблице. Свободные электроны этих атомов находятся ближе к положительно заряженному ядру и сильнее с ним связаны, чем электроны атомы решетки. Образуются потенциальные ямы для свободных электронов решетки. Происходит локализация свободных электронов на "экси-тонных центрах". В соответствии с принципом неопределенности значение квазиимпульса электронов К размывается и с большой ве­роятностью становится равным квазиимпульсу для дырок в макси­муме валентной зоны. Рекомбинация становится возможной, при этом излучается фотон с энергией hυ, равной разности энергий ∆E "экситонного центра" и максимума валентной зоны. Длина вол­ны излучения для прямозонных и не прямозонных переходов опреде­ляется по общей формуле:

где ∆E - ширина запрещенной зоны, либо разность энергий между уровнями экситонных центров.

Реально излучение происходит в некоторой узкой полосе длин волн вблизи .

Материалы для СИД

Наиболее известный полупроводниковый материал - кремний - для СИД не годится. Действительно, как следует из формулы (2.2), длина волны излучения кремния λ_изл - 1240/1,12 = 1100 нм лежит в дальней инфракрасной области, невидимой для глаза человека; при этом η_внутр также низка. Для СИД сейчас повсеместно используют полупроводниковые соединения типа А^III В^V , то есть соединения материалов третьей и пятой групп периодической системы Д.И. Менделеева.

А^III: В; Al; Ga; Jn; Tl.

В^V ; N; Р; As; Sb; Вi.

Возможны двойные и тройные соединения с разным процентами составом. Наиболее известны такие соединения: GaР; SiС; GaAs_1-x ;Ga_xAl_1-xAs, , причем формула GaAs₀₆P₀₄ означает, что на 10 атомов Ga приходится 6 атомов Аs и 4 атома Р ,

Характеристики некоторых материалов для СИL приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1. Характеристики материалов дай СИД

Типичный представитель не прямозонных материалов – GаР. Его зонная диаграмма показана на рис. 2. Вводя различные добавки, образующие экситонные центры, можно получать различные цвета излучения. Соединение GаР:N дает зеленый цвет излучения, а GаР:ZпО - красный. Это позволяет создавать двух цветовые индикаторы в одном кристалле. Тройные соединения в зависимости от процентного содержания могут быть как прямозонными, так и не прямозонными. Как следует из табл.1, наиболее распространены красные излучатели, причем возможны различные длины волн (оттенки) красного цвета: 699, 649, 675 нм. Синие светодиода на GаN пока известны только в виде лабораторных образцов из-за сложности создания р-п переходов в этом материале. Для создания излучателей в ИК области широко используют GаАs, об­ладающий высокой η_внутр.

Рис.4. Принцип образования различного цвета излучения GаР,а - зеленое излучение из GаР:N (∆E = 2,17 эВ); б - красное излучение из GаР:ZпО (∆E= 1,77 эВ).

Конструкция точечных СИД

Основой светодиодных излучателей является кристалл, в котором создан плоский р-п переход. Перехода создают методом диффузии либо эпитаксии в пластинах большой площади, которые затем разрезаются на кристаллики с размерами приблизительно 0,3x0,3x0,3 мм. К р - и n-областям нужно обеспечить надежный электрический контакт. Излучение зарождается в тонком слое р-п перехода (толщиной несколько микрон) и направляется во все стороны. В зависимости от ориентации кристалла по отношении к наблюдателю различают планарные и торцевые излучатели (рис. 5.). Пленарные излучатели имеют большую светящуюся площадь, равную площади плоскости кристалла за вычетом металлизации. Но часть излучения теряется на поглощение в слое полупроводникового мате риала р - типа, как показано на рис. 5.,а. Металлический пленочный контакт имеет кольцевую форму, что обеспечивает потенциал и, следовательно, яркость излучения по всей поверхности кристалла.

Рис.5. Конструкция дискретных СИД: а - планарный излучатель; б - торцевой излучатель; г - излучающая область р-n перехода; 2 - металлизация; 3 - на­правление полезного излучения.

В торцевых излучателях светится непосредственно торец р-п перехода, потерь на поглощение нет, яркость высока, но из-за малой ширины р-n перехода световой поток меньше, чем для планарного излучателя. Конструкция проста, металлизация поверхностей сплошная, однако в качестве индикаторов торцевые СИД используют редко из-за низкой световой эффективности. Такая конструк­ция характерна для полупроводниковых лазеров.

Наиболее распространена конструкция, в которой используется как плоскостное, так и торцевое излучение (рис. 6).

Рис.6. Принцип использования торцевого излучения кристалла СИД: а - поперечное сечение кристалла в отражателе; б-вид на излучатель сверху; I - кристалл; 2 -зеркальные поверхности; 3 - плоскостное излучение; 4 - торцевое излучение.

Достигается это с помощью миниатюрного отражателя, в который помещают кристалл, направляющий почти все излучение к наблюдателю.

В настоящее время известны три основных варианта герметиза­ции точечных СИД, показанные на рис. 7.

Рис.7. Варианты герметизации дискретных СИЛ: в – бескорпусной; б - в металлостеклянном корпусе;в - в прозрачном полимерном корпусе; г - кристалл СИД;2 - вывода; 3 - прозрачный полимер; .4 - стекло; 5 - полезное излучение.

Герметизация защищает кристалл от внешних воздействий и одновременно формирует световой поток. В бескорпусном варианте кристалл заливается капелькой прозрачной пластмассы и излучает свет во все сторона α_изл=360°. Достоинством варианта является миниатюрность, однако сила света невелика. Металлостеклянный корпус обеспечивает высокую надежность по отношению к тепловым и климатическим воздействиям, но сила света таких индикаторов также мала. Наиболее распространены полимерные корпуса из прозрачной или окрашенной пластмассы. В таких индикаторах существенно возрастает сила света, контрастность, направленность излучения.

Внешняя квантовая эффективность СИД

1. Поглощение в толще полупроводникового материала. Фотон, генерированный в области р-п перехода, имеет энергию, равную ширине запрещенной области полупроводникового материала. Следовательно, при прохождении через этот материал возможен фотоэффект, то есть поглощение фотона. Вот почему верхний слой материала (чаще всего р- типа ) делают как можно тоньше. Эффективность СИД, с учетом поглощения характеризуют коэффициентом η_внутр, численное значение которого составляет 0,4 - 0,9.

2. Френелевские потери, связанные с прохождением света че­рез границу кристалл - воздух, независимо от угла падения луча света на эту границу. Эффективность СИД с учетом френелевских потерь характеризуется коэффициентом η_фр :

где η_в - I - оптическая плотность воздуха; п_кр =3,4 - оптичес­кая плотность кристалла. При этом получаем η_фр =0,7.

3. Потери на полное внутреннее отражение. Вследствие того, что свет выходит из более плотной оптической среда (из кристалла) в менее плотную (воздух), существует критический угол α_крит за пределами которого луч отражается от границы раздела и воз­вращается в кристалл:

Для указанных значений η_в и п_кр α_крит = 17°.

Эффективность СИД с у четом потерь на внутреннее отражение определяется коэффициентом п_отр :

Произведение трех перечисленных коэффициентов характеризует

оптическую эффективность п_опт вывода излучения из кристалла СИД:

Внешняя квантовая эффективность СИД п_внеш определяется как:

и характеризует количество фотонов, вышедших из кристалла, к количеству электронов, инжектированных через р-п переход. По сути дела это КПД СИД, так как энергии инжектированных электронов и излученных фотонов практически одинаковы.

Конструктивные пути повышения внешней квантовой эффективности

Путем выбора более рациональной конструкции СИД можно в не­сколько раз повысить его эффективность. Наиболее просто это достигается для СИД в прозрачном полимерном корпусе (рис,2.6,в), Введение промежуточного слоя пластмассы с показателем преломле­ния п_пл- 1,5 уменьшает френелевские потери, определяемые ана­логично:

Принцип уменьшения потерь на полное внутреннее отражение иллюстрируется рис. 8. Если кристалл граничит с воздухом, то α_крит=17°.

Рис.8. Принцип увеличения критического угла путем заливки кристалла полимером

Ход лучей в кристалле ОВД, граничащем с воздухом, α_крит=17° (а), в кристалле, покрытом плоским слоем полимера, α_крит=17°(б), в кристалле со сферическим покрытием из полимера, α_крит=26,2° (в). I - материел кристалла с п_кр 3,4; 2 - полимер с п_пл,=1,5; 3 - воздух с п_в = I.

При нанесении на поверхность кристалла слоя пластмассы критический угол для границы кристалл - пластмасса уве­личивается до величины, равной:

Однако, как видно из рис. 8,Б, дополнительная часть светового потока отражается от границы пластмасса - воздух, по отношению к выходящему излучению критический угол не возрастает и остается равным 17°. .Вывести этот дополнительный световой поток из кристалла можно, придав сдою пластмассы сферическую форму, как показано на рис, 8,в. В этом случае всякий световой луч, прошедший в слой пластмассы, выйдет из него в воздух, поскольку будет падать на границу раздела под углом, близким к прямому. Критический угол становится равным действительно 26,2° и эффективность вывода излучения из кристалла увеличивается:

вместо прежних η_внутр = 0,0865.

Итак, эффективность СИД с пластмассовым покрытием сферической формы возрастает приблизительно в 3 раза за счет увеличения критического угла и уменьшения френелевских потерь.

Формирование диаграммы направленности СИД

Плоский кристалл имеет ламбертовскую диаграмму направленности, то есть сила света изменяется по закону:

где J₀ - света на оси, перпендикулярной плоскости кристалла; α - угол, отсчитанный от нормали.

Форма диаграммы направленности представляет собой окружность, касающуюся поверхности кристалла, как показано на рис. 9, а.

Рис.9. Диаграммы направленности СИД: а - для дискретного плоскостного излучателя; б - для кристалла, помещенного в полимерный корпус.

Угол излучения такого источника, определяемый по уменьшению силы света в 2 раза, составляет α_изл =120°,

Для увеличения внешней квантовой эффективности кристалл СИД помещают в центр сферы из прозрачной пластмассы, как это было показано. При этом диаграмма направленности светового потока остается ламбертовской, а сила света на оси увеличивается в п²_пл= 2,25 раза. Иначе говоря, J’₀ =2,25 J₀ . Кроме того, можно регулировать положение кристалла относительно центра линзы; Если глубина погружения h кристалла в пластмассовую линзу больше радиуса кривизны r поверхности линзы, то диаграмма направленности вытягивается вдоль главной оси, как показано на рис. 10. Световой поток,

Рис.10. Деформация диаграммы направленности CИД выбором заглубления кристалла

выходящий из СИД, остается почти постоянным, угол излучения уменьшается, а сила света на оси увеличивается в соответствии с выражением:

Форму диаграммы направленности можно изменять и другими способами. Например, если придать пластмассовой линзе заостренную форму, то можно получить почти постоянное значение силы света в пределах α_изл (рис. 11,а).

Рис.11. Специфические диаграммы направленности: а - с постоянной силой света в пределах угла излу­чения; б - с большим углом излучения.

В панельных индикаторах широкий угол излучения α_изл =180° получается добавлением в материал линзы мелких частичек алюми­ниевого порошка, рассеивающих свет по всем направлениям (рис.11,б).

Контрастность СИД можно существенно увеличить, добавив в материал прозрачной линзы краситель того же цвета, что и излучение СИД, Тогда собственное излучение СИД проходит через линзу без потерь, а внешняя засветка, имеющая обычно широкий спектральный состав, в значительной мере поглощается красителем.

Сверхъяркие СИД

До сих пор анализировались способы увеличения внешней квантовой эффективности СИД выбором конструкции оптической системы.

Рассмотрим оригинальный способ снижения потерь на поглощение в самом кристалле СИД.

Ранее отмечалось, что в планарных СИД часть светового потока теряется в слое полупроводникового материале на поглощение за счет фотоэффекта. Фотоэффект можно значительно уменьшить, если ширину запрещенной зоны этого полупроводникового материала сделать, больше энергии фотонов излучения. Это достигается созданием многослойной структуры, показанной на рис.12. Излучение зарождается в р-п переходе, образованном в Ga₀₃₅Al₀₆₅As, име­ющем ∆Е=1,84 эВ, по обе стороны от которого находится материал Ga₀₃₅Al₀₆₅As, имеющий ∆Е=2,02 эВ. Этот материал прозрачен для фотонов излучения, так как их энергии недостаточно для генерации электронов и дырок, то есть фотоэффекта. На обратной сто­роне кристалла нанесено зеркальное покрытие. Часть излучения попадает к наблюдателю непосредственно, а часть - отразившись от зеркала. Торцевое излучение также направляется к наблюдателю. Таким образом удалось существенно повысить долю полезного излучения. По данным печати, создан Сверхьяркий СИД, по силе света на порядок превосходящий обычные СИД[2].

Рис.12. Принцип увеличения полезного излучения в сверхзьярком СИД: а - структура кристалла: б - зонная диаграмма: I- материал Ga₀₆₅Al₀₆₅As; 2 - материал Ga₀₃₅Al₀₆₅As; 3 - излучающая область; 4 - зеркальное покрытие; 5 - прямое излучение;6 - отраженное излучение.

Световая эффективность СИД

Важную роль в восприятии индикатора человеком играет соответствие его излучения и спектральной чувствительности глаза. Глаза у всех людей индивидуальны, поэтому Международной электротехнической комиссией (МЭК) разработана обобщенная кривая видности человеческого глаза, показанная на рис.13. График построен в логарифмическом масштабе и отражает относительную чувствительность глаза к различным длинам волн излучения V(λ). Кривая имеет максимум при λ= 555 нм (зеленое излучение). На этой длине волны излучение мощностью I Вт соответствует световому потоку 680 лм. При других длинах волн I Вт излучения соответствует меньшему световому потоку, а именно 680 V(λ) лм. Например, для красного СИД с λ = 699 нм излучение мощностью I Вт со­ответствует всего 6,8 лм, так как V (699 нм) = 0,01.

Световая эффективность СИД определяется как

и показывает, какой световой поток в люменах можно получить, приложив к СИД электрическую мощность в I Вт .

Рис.13. Кривая видности МЭК.

В настоящее время достигнуты следующие значения световой эффективности:

красные СИД - I лм/Вт;

зеленные СЩ - 1,2 лм/Вт;

желтые СИД - 0,5 лм/Вт.

Большое распространение красных СИД объясняется значительным количеством соединений А^IIIВ^V дающих красное излучение, их относительно низкой стоимостью и большим психологическим воздействием на человека.

Спектральные характеристики некоторых СИД приведены на рис.14 на фоне кривой видности и кривой чувствительности

Рис.14.Спектральные характеристики в относительных единицах: 1 - кривая видности; 2 - кривая чувствительности кремниевого фотоприемника; 3 - излучение GаР:N; 4 - излучение GаР:ZпО; 5 – излучение GаAs.

кремниевого фотоприемника. Ширина спектральной характеристики излучения большинства СИД не превышает 20нм. Кремниевые фотоприемники чувствительны к ИК области спектра, поэтому они могут работать совместно с любым СИД как видимого, так и ИК диапазона.

Паспортные параметры СИД

В настоящее время в СССР выпускается широкая номенклатура СИД: бескорпусных и в корпусах, различного цвета свечения, рай личной формы. Сведения по СИД можно найти в справочкой литера­туре [3-5]. В табл. 2. приведены характеристики и параметры некоторых промышленных образцов.

Таблица 2. Параметры промышленных образцов СИД

В табл.2. указаны минимальные и максимальные значения силы света при определенном токе через СИД. Это связано о технологическим разбросом эффективности излучения.

Из анализа табл. 2. можно сделать следующие выводы.

1. СИД одною типа, например АЛ341,могут иметь различный цвет излучения.

2. СИД в пластмассовых корпусах дают значительно большую силу света, чем в металло-стеклянных, а также бескорпусные СИД.

3.Сила света существенно зависит от угла излучения.Например, для СИД одинаковой конструк­ции и с одинаковыми кристаллами АЛ307КМ и АЛ336К максимальная сила света составляет 5 мкд и 150 мкд при углах излучения соот­ветственно 100° и 20⁰.

Схемы включения СИД для индикации

Схема включения должна обеспечивать номинальный режим работы СИД, а именно номинальный ток. Прежде чем определять величину тока, рассмотрим вольтамперную характеристику СИЛ в общем, виде, показанную на рис. 15. Как и для кремниевых диодов, ВАХ имеет ярко выраженный излом при U_порог. При малых напряжениях

Рис.15. Типичная ВАХ СИД.

(U< U_порог) ток через СИД практически равен нулю и излучения нет. При U≥ U_порог начинается резкое увеличение тока и, если не ввести ограничительного сопротивления, ток через СИД может превысить допустимое значение. Значение U_порог =1,2- 2,0 В зависит от цвета излучения: для красных СИД характерны малые напряжения, для желтых и зеленых - большие.

Простейшая схема включения СИД состоят из источника питания напряженней U_пит и ограничительного резистора R_огр (рйс.16,а). Задача заключается в определении R_огр при заданном U_пит:

где J_сид –номинальный ток через СИД, определяющийся из паспортных данных.

Например, при J_сид = 10 мА; U_пит =5 В; U_порог = 1,5 В, получаем R_орг =330 Ом.

Рис.16.Схемы включении СИД для индикации: а - простейшая схема с ограничительным резистором; б - транзисторная схема.

Если требуется управление СИД (включение и выключение, модуляция излучения), его включают в коллекторную цепь транзистора, играющего роль ключа, как показано на рис. 16,б. В этом случае величина сопротивления ограничительного резистора определялся по формуле:

где - напряжение насыщения ключевого транзистора, обычно =0,2- 0,3 В. Выпрямительные свойства СИД позволяют включать его в цепь переменного сигнала. При встречно-параллельном включении двух СИД можно получить индикатор полярности напряжения.

Следует заметить, что при работе совместно с ТТЛ-схемами, имеющими U_пит=5 В, значительную часть напряжения приходится гасить на R_огр, то есть мощность источника питания расходуется нерационально. В этом случае целесообразно использовать последовательное включение двух СИД, при этом световой поток удваивается. Известны конструкции индикаторов, в которые встроены два последовательно соединенных кристалла.

Значительно более рационально питать СЩ, не постоянным, а импульсным током. При частоте импульсов выше 100 Гц мерцание становится незаметным, но достигается существенный выигрыш по мощности, потребляемой от источника питания. Для пояснения этого эффекта рассмотрим зависимость силы свете J_св от тока через СИД J_сид , показанную на рис. 17.

Рис.17.Зависимость силы света от тока через светодиод: 1 - линейная зависимость; 2 - сверхлинейная зависимость.

Эта зависимость называется сверхлинейной: с ростом J_сид крутизна возрастает, а следовательно, повышается эффективность преобразования электрического тока в световой поток. Объясняется это тем, что при больших токах уменьшается доля безызлучательных переходов и растёт η _внутр Кривая 2 на рис.17 описывается формулой:

где А - коэффициент пропорциональности; л - показатель нелинейности, для GaP и GaAs_1-x P_x n=1,4.

При двукратной увеличении тока через СИД сила света возрастает в 2,8 раза. Однако увеличивать постоянный ток через СИД нельзя: возрастает тепловая мощность, выделяемая на кристалле что может привести к его порче. Но можно питать СИД импульсным током с большой скважностью таким образом, чтобы средний ток и средняя мощность не превышали допустимых значений. Определим скважность q следующим образом:

где τ_и -длительность импульса; Т_и - период следования импульсов ,

Используя закон Тальбота, выразим силу света J_св.и в импульсном режиме через силу света J_{св. пост} при питании постоянным током:

J_св.и = J_{св.пост} * q

Из уравнений можно рассчитать импульсный ток необходимый для создания такой же силы света, что и при постоянном токе :

Например, при q=5, n=1,4 и =10 мА потребуется = 32 мА. Для сравнения укажем, что если бы зависимость J_св(J_сид) была линейной, потребовался бы = 50 мА и соответственно в 1,6 раза больший расход тока от источника питания.

На рис, 18 показаны временные диаграммы тока J_сид для различных значений q.

а) б)

Рис.18. Временные диаграммы импульсного режима питания индикаторных СИД: а - q = 2; 6-q.= 10.

Заметим также, что в импульсном режиме дополнительный выигрыш получается за счет уменьшения потерь мощности на R_огр, величина которого оказывается меньше, чем при постоянном токе. Рис.19 иллюстрирует выигрыш в J_св получаемый при больших значениях q и при одинаковом значении J_сред, потребляемого от источника тока.

Рис.19. Зависимость силы света СИД от скважности импульсов питающего тока.

Многоэлементные СИД

Для вывода сложной информации; буквенной; цифровой или графической - применяют многоэлементные СИД, составленные из нескольких точечных индикаторов. К многоэлементным индикаторам от­носят сегментные и матричные индикаторы, а также линейные шкалы. Рассмотрим их устройство, конструкцию и особенности работы.