logo

Главная Полупроводниковые приборы Светодиоды Инжекционные светодиоды

Светоизлучающие диоды: Инжекционные светоизлучающие диоды - принцип действия и основные конструктивные особенности

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

Известно, что рекомбинация носителей зарядов может сопровождаться освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала. Светоизлучающие диоды имеют в своем составе один или несколько выпрямляющих переходов (это могут быть обычные \(p\)-\(n\)-переходы, однако в последнее время все большее распространение стали получать гетеропереходы с достаточно сложной структурой), в которых при включении в прямом направлении происходит активная рекомбинация электронов и дырок, причем как в области объемного заряда, так и по обе стороны от этой области на расстоянии диффузионных длин электронов в \(p\)-области и дырок в \(n\)-области. По мере повышения, внешнее напряжение понижает потенциальный барьер на границе \(p\)- и \(n\)-областей и создает условия для инжекции электронов в \(p\)-область и дырок в \(n\)-область — ток через переход экспоненциально растет. Общее число рекомбинаций определяется силой тока, часть этих рекомбинаций происходит с излучением кванта энергии. Чтобы кванты энергии — фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (> 1,7 эВ). При меньшей ширине запрещенной зоны исходного полупроводника кванты энергии, освобождающиеся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения. Таким образом, разница между полпроводниковыми светодиодами видимого диапазона и ИК-диодами заключается только в отличии исходного полупроводникового материала.

Если бы рекомбинация неравновесных носителей, вводимых в выпрямляющий электрический переход и прилегающие к нему области при прохождении прямого тока, происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход (отношение излучательных рекомбинаций к их общему числу) был бы равен 100 %. Однако значительная часть актов рекомбинации может заканчиваться выделением тепловой энергии, которая передается кристаллической решетке полупроводника. Такие переходы называют безызлучательными.

Основными материалами для производства светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния, арсенид галлия (ИК-диоды). Наиболее высокий выход полезного излучения наблюдается у ИК-диодов из арсенида галлия. Обычно излучающей является одна из сторон \(p\)-\(n\)-перехода (например, \(p\)-область), поэтому предпринимаются меры, чтобы доля электронного тока, попадающего в эту область, была максимальной. При низких значениях напряжения и тока преобладает рекомбинация в области пространственного заряда, где вероятность излучательных переходов в нужной спектральной области обычно мала.

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход светоизлучающих диодов оказывается значительно меньшим из-за поглощения фотонов в материале полупроводника до выхода их в окружающее пространство и из-за потерь при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей среды под углом, превышающим критический угол полного внутреннего отражения. В зависимости от конструкции светоизлучающих диодов (наиболее распространены: плоская планарная, полусферическая и плоская планарная с прозрачным полусферическим покрытием) их внешний квантовый выход при комнатной температуре достигает 8...20%. Он очень сильно зависит от температуры (рис. 2.9‑1.).

 

Влияние температуры на внешний квантовый выход люминесценции арсенид-галлиевого диода

Рис. 2.9-1. Влияние температуры на внешний квантовый выход люминесценции арсенид-галлиевого диода

 

Типичные значения силы света современных светоизлучающих диодов составляют 0,5...1,0 мкд в непрерывном режиме при токе ~10 мА и напряжении 1,5...3 В. Также допускается работа импульсном режиме, при этом излучаемая мощность может быть существенно выше. Вызвано это тем, что мощность светового излучения зависит от величины тока, проходящего через диод. В импульсном режиме через прибор можно пропускать значительные токи, не вызывая его критического перегрева. Отличительным свойством полупроводниковых светодиодов является их малая инерционность, что позволяет работать с импульсами достаточно высокой частоты (до 100 МГц).

Конструктивное исполнение светоизлучающих диодов зависит от их назначения. Так, например, в индикаторных светодиодах плоская излучающая область как правило достаточно велика, а конструкция корпуса (его оптическая система) обеспечивает широкую диаграмму направленности и равномерность излучения. В излучательных диодах все обычно делается наоборот: площадь излучающей поверхности достаточно мала, а диаграмма направленности узкая, что обеспечивает концентрацию всей излучаемой энергии в узком пучке. Для использования в волоконно-оптических линиях связи выпускаются специальные излучатели совмещенные с волноводом, т.е. в них вместо линзы, формирующей выходную диаграмму направленности, включен отрезок волновода, свободный конец которого и должен подключаться к внешеним оптическим линиям связи.

Как правило, цвет свечения у всех излучающих диодов строго фиксирован (он определяется материалом кристалла). Однако существуют специальные виды светодиодов, в которых реализуется два (или три) \(p\)-\(n\)-перехода с различными цветами свечения (например, красного и зеленого), а оптическая система обеспечивает смешение этих цветов. Таким образом, изменяя интенсивности излучения различных цветов, можно регулировать результирующий цвет свечения светодиода.

 

 

 



Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники