Реферат: Оптические системы светоизлучающих диодов

МОСКОВСКИЙЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(техническийуниверситет)

ИНСТИТУТРАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

ФАКУЛЬТЕТЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

ДИСЦИПЛИНА:

СОВРЕМЕННЫЕПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Выполнил:

Коркин С. В.           

Группа:

ЭР-6-00

                                                                                             

Проверил:

          Гутцайт Э.М.

           

2005год.

Содержание работы

 TOC o «1-3» h z ВведениеPAGEREF _Toc104539191 h 2<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

Общие сведения о СИДPAGEREF _Toc104539192 h 3<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

Вывод света из полупроводникаPAGEREF _Toc104539193 h 7<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

Примеры конструкции светодиодов с различными КССPAGEREF _Toc104539194 h 12<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

ЗаключениеPAGEREF _Toc104539195 h 18<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

ПриложениеPAGEREF _Toc104539196 h 20<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

Список литературыPAGEREF _Toc104539197 h 24<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof: yes">

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:Arial;font-weight:normal;mso-bidi-font-weight:bold"><span Courier New"; mso-bidi-font-family:Arial"><span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">Введение<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">

            <span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Полупроводниковые светоизлучающие диоды(СИД) -  класс твердотельных приборов, вкоторых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основеих действия лежит инжекционная электролюминесценция. СИД решают задачупреобразования электрических сигналов оптические, а так же служат эффективнымипо КПД источниками света.

<span Times New Roman"">    На сегодняшний день СИД активно применяютсяв различных областях: оптоэлектроника, системы отображения информации (кактабло «бегущих» строк текста, так и достаточно качественных панелей вывода статичногои динамического изображений). Круг задач, при решении которых используются СИД,обусловлен высокой эффективностью преобразования электрической энергии всветовую (15-20 лм/Вт, лампы накаливания – 10-15 лм/Вт), высокой яркостью иквантовым выходом (при небольшой площади СИД сила света по оси – 30-50 кд),высоким быстродействием (малая инерционность – порядка единиц наносекунд), характернымспектральным составом, возможностью модуляции излучения питанием, малымпотреблением энергии (доли или единицы ватт), электробезопасностью (единицывольт), надежностью, большим сроком службы (десятки тысяч часов), высокойустойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

Первые явления, связанные споявлением СИД, были обнаружены Лосевым О.В. в 1923 г. Активное развитие технологииизготовления СИД с различными параметрами продолжается и сегодня.

Кроме вышеперечисленных сферСИД задействованы в освещении. Применение СИД для освещения обусловлено, какуказывалось выше, высоким КПД преобразования энергии, надёжностью конструкции,хорошо развитой на сегодняшней день технологией изготовления СИД с различнымипараметрами свечения.

Как и практически любойисточник излучения, СИД функционирует совместно с оптической системой,формирующей требуемую кривую силы света (КСС). Некоторым вопросам оптическихсистем СИД посвящён данный реферат.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">Общиесведения о СИД<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">В основедействия СИД лежит явление инжекционной электролюминесценции вполупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом или контактомметалл-полупроводник.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Инжекционнаяэлектролюминесценция характерна для

р—n<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-перехода, подключенного в прямомнаправлении к источнику питания. При этом в n<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-область вводятся (инжектируются)избыточные дырки, а в р<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-область— электроны или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-и р<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-областями. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок (обратныйсветовой генерации тока в полупроводниковых фотоприёмниках эффект).

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> СИД испускают некогерентное излучение, но, вотличие от тепловых источников света, с более узким спектром, вследствие чегоизлучение в видимой области воспринимается как одноцветное. Цвет излучениязависит от полупроводникового материала и его легирования.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US">C<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">целью снижения потерь на полное внутреннее отражение и поглощение в телекристалла для последнего выбирают полусферическую форму, а для улучшенияхарактеристик направленности излучения СИД помещают в параболический иликонический отражатель. Следует отметить, что угловое распределение вышедших изполупроводника фотонов имеет в значительной степени случайный характер.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Промышленностьвыпускает СИД в дискретном и интегральном исполнении. Дискретные СИД видимогоизлучения используют в качестве сигнальных индикаторов. Интегральные(многоэлементные) приборы (светоизлучающие цифро-знаковые индикаторы,профильные шкалы, многоцветные панели и плоские экраны) применяют в различныхсистемах отображения, в электронных часах и калькуляторах. СИД инфракрасногоизлучения находят применение в устройствах оптической локации, оптическойсвязи, в дальномерах, матрицы СИД — в устройствах ввода и вывода информацииЭВМ. В ряде областей применения СИД конкурирует с родственным ему прибором –инжекционным полупроводниковым лазером, который генерирует когерентноеизлучение и отличается от СИД наличием резонатора и режимом работы.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Выпускаемыепромышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены наследую­щие группы [1]:

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">1)<span Times New Roman"">  

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">в металло-стеклянномкорпусе;

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">2)<span Times New Roman"">  

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">в конструкции сполимерной герметизацией;

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">3)<span Times New Roman"">  

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">бескорпусные диоды.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Диоды вметалло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностьюпараметров, механической и климатической устойчивостью.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Диоды сполимерной герметизацией по некоторым характеристикам имеют преимущества переддиодами в металло-стеклянной конструкции:

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> а) полимерная герметизация в большей степенипозволяет осуществить перераспределение света в пространстве как в направлениисужения диаграммы направленности излучения (с увеличением силы света –полимерное покрытие играет роль коллиматора), так и в направлении ее расширения(введение в полимер рассеивающих частиц позволит увеличить угловую дисперсиюфотонов на выходе СИД);

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">б) полимернаягерметизация увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличенияугла полного внутреннего отражения на границе кристалл — полимер;

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">в)герметизированные полимерами приборы обладают большей стойкостью к ударным ивибрационным нагрузкам, чем приборы в металло-стеклянных корпусах;

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">г) полимернаягерметизация позволяет получить при необходимости малое отношение объема(габарита) прибора к объему (габариту) кристалла;

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">д) полимернаягерметизация благодаря своей технологичности позволяет существенно снизитьтрудоемкость изготовления приборов и их стоимость.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Бескорпусныедиоды — самые миниатюрные светоизлучающие диоды, используемые в герметизируемойаппаратуре. Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило,посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками. Отражающие стенкиохватывают боковое излучение в угле примерно 50°. Они в значительной степенисужают диаграмму направленности излучения и увеличивают силу света в осевомнаправлении. Помещение в посадочное место кристалла с непрозрачной подложкойприводит к несколько меньшему эффекту сужения диаграммы направленности и увеличенияосевой силы света.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Одновременнос увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излученияприменение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводитк улучшению восприятия излучения за счет увеличения светящейся площади иповышения контрастности. Кристалл и светящееся кольцо отражателя разделеныболее темным кольцом. Наличие на светящейся поверхности ярких и темных участковувеличивает ее контрастность и способствует лучшему визуальному восприятию [1].

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Значительноеперераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, котораяформирует необходимую диаграмму направленности излучения. Форму полимернойлинзы выбирают, как правило, такой, что излучающий кристалл располагается междуфокусом преломляющей поверхности, образованной полусферической линзой, и центромэтой линзы. Расстояние от центра кристалла до центра сферической поверхностиопределяется в зависимости от заданной диаграммы направленности излучения.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Длядиодов с углом излучения 5—15° по половинному уровню от максимального значения силысвета наиболее целесообразно использовать величину

S/R= 1,9 —2,0 <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">[1](рис. 1 Приложения). Конкретные значения S/R<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> обычно подбирают сучетом действия отражателя света и рассеивающего эффекта, возникающего привведении в компаунд диспергирующего наполнителя.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">В качествематериала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинствеслучаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной смолы. Компаунд отличается весьма высокимсветопропусканием. Хранение образцов компаунда при температуре +70-80°Cпрактически не приводит к ухудшению светопропускания. Снижение светопропусканияначинает наблюдаться при длительном хранении при температуре +100°

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US">C<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">и выше, причем наибольшее поглощение света наблюдается в коротковолновой частивидимого спектра. Введение красителя (например, красного) вызывает резкоеувеличение поглощения коротковолнового света, но практически не влияет напоглощение света длинноволновой части видимого диапазона. Введение красителейспособствует повышению контрастности свечения за счет поглощения рассеянногосвета окружающего пространства.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Дляизготовления сигнальных СИД, как правило, применяется компаунд,диспергированный светорассеивающим наполнителем. Наполнитель позволяетувеличить размер светящегося пятна и расширить диаграмму направленности излучения(увеличить угол излучения). Одновременно он резко понижает интенсивностьотраженного диодом внешнего света и, тем самым, снижает  эффект отсвечивания для невключенных диодов.

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-no-proof:yes">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">Вывод света из полупроводника<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial;font-weight:normal;mso-bidi-font-weight: bold">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Изсветоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого

р — n<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">- <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">переходомизлучения в связи со следующими основными видами потерь:

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">1)<span Times New Roman"">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">потери на внутреннееотражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник — воздух подуглом, большим критического;

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">2)<span Times New Roman"">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">поверхностные потери нафренелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшимкритического;

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">3)<span Times New Roman"">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">потери, связанные споглощением излучения в приконтактных областях;

<span Courier New";mso-fareast-font-family:«Courier New»">4)<span Times New Roman"">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">потери на поглощениеизлучения в толще полупроводника.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Наиболеезначительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большимразличием показателей преломления полупроводника

nп<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> и воздуха nв<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> доля выходящегоизлучения определяется значением критического угла <span Courier New";mso-hansi-font-family:«Courier New»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Q<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">пр<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> между направлениемсветового луча и нормалью к поверхности:

<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Q

пр= arcsin n-1<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">,

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">где

n=nn/nв<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Дляполупроводников

GaAs<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">и GaP<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, азначения критического угла <span Courier New";mso-hansi-font-family:«Courier New»;mso-ansi-language:EN-US; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Q<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">пр<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> равны примерно 16 и17,7°.

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Излучение, падающее на поверхностьраздела полупроводник — воздух под углом, меньшим критического, выводится изкристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннееотражение. Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то всеотраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла.Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения, то свет,отраженный верхней, нижней, а также боковыми гранями кристалла, может повторно(и не один раз) падать на светоизлучающую поверхность частично выводиться изкристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхностипод углом, меньшим критического.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Долюсветового излучения, которая может быть вы ведена через верхнюю поверхностькристалла плоской конфигурации при первом падении световой волны, определяют поформуле

F= sin2(<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Q

пр/2) Тср<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US">,<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">где

Тср<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> — средний коэффициентпропускания света по­верхностью кристалла для лучей, падающих на границу раздела под углом, меньшимкритического. Коэффи­циент пропускания света, падающего нормально кповерхности, определяется по формуле Френеля

Т=(n — 1)2/(1 + n)2.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Так как вблизикритического угла про­пускание уменьшается, то можно ожидать среднийкоэффициент пропускания соответственно

Тcр<span Courier New";mso-hansi-font-family: «Courier New»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">0,67 и 0,695 [1].

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Значениевеличины

F<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> для таких полупроводников,как GaAs<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">и GaP<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">,находится в пределах 1,3—1,65% [1]. Малое значение величины F<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> для кристаллов плоскойконфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптическойэффективности светоизлучающих диодов. Существует несколько таких путей, краткоих рассмотрим [1]:

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">1.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого p—n<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">переходом света па­далана границу раздела под углом, меньшим критиче­ского. В качестве примеров такойгеометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера (сфераВейерштрасса) и другие. В этих конструкци­ях кристалла размер р—n<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">перехода существенно мень­шедиаметра полусферы, что и позволяет получать ма­лое отклонение падающего наповерхность луча от нор­мали к поверхности. Если провести расчет, при некоторыхдопущенных (не учитывать поглощение света в толще материала, отраженное поверх­ностьюполупроводника излучение считать полностью поглощенным), то он покажет, чтоиспользование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить выводизлучения из кристалла в воздух до 34 % всего генерируемого излучения.Полусферическую конфигурацию кристалла эффективно применять в тех случаях,когда поглощение света в толще полупроводника мало. Такие условия возникают прииспользовании структур <span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">GaAs<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">: <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US">Si<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">,<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">GaP<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">: <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">Zn<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">,0; <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">GaP<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">: <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">N<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">и др.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">2.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв<n<nn<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> для увеличениякритического угла. Если в качестве среды использовать прозрачный эпоксидныйкомпаунд с показателем преломления nк<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">=1,5—1,6, то критический угол<span Courier New"; mso-hansi-font-family:«Courier New»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">Q<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">пр<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> возрастает до 25—30°. Вэтом случае выход излучения из кристалла в окружающую среду (в данном случае вкомпаунд) возрастет в 2,5—3 раза. Если прибор предназначен для вывода излученияв воздух, то для сохранения коэффициента вывода излучения конфигурацияполимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность разделакомпаунд — воздух под углом, меньшим критического для этой границы. Еще болееположительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла споказателем преломления n<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">=2—3.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">3.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерьна отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшимкритического (аналогично просветлению оптики). Таким путём удается увеличитьвыход излучения на 20—30 %.         

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">4.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> Применение специальнойконфигурации плоского кристалла для обеспечения «внутреннейфокусировки» излучения и увеличения доли генерируемого света, падающего насветовыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">5.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Создание омических контактов, занимающих не­значительную часть площади граникристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">6.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышениявнешнего квантового выхода излучения.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Если угловоераспределение фотонов, выходящих из активной области, имеет сферическуюсимметрию, то создание днффузно-рассеивающей поверхности улучшает условиявывода излучения для косых лучей. Сферическая симметрия генерируемого излучениявнутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощением излучения вактивной области. В результате создания диффузно-рассеивающей поверхностидиодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличениевнешнего квантового выхода излучения на 25—40 %.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-no-proof:yes">7.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получитьнаправленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Большиевозможности получения направленных световых потоков создает эффект “оптическогоограничения”,  возникающий в двойных гетероструктурахиз-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава.Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятствуеттакое распределение показателя преломления, когда он больше в волноводном слоепо сравнению с окружающими слоями. Фотоны, генерируемые в активной области,распространяются вдоль волновода с многократным отражением от границ с ограничивающимислоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различиемпоказателей преломления волновода и ограничивающих слоев около 0,15—0,2.Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционныепотери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения внаправлении, перпендикулярном плоскости

р—n<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">-<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">перехода.   Сужение диаграммы направленности излученияпозволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системахоптической связи.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">Примерыконструкции светодиодов с различными КСС<span Courier New"; mso-bidi-font-family:Arial">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Вышеперечисленныепункты относились в основном к конструктивным особенностям непосредственно теласвечения. Рассмотрим теперь пути изменения КСС при помощи внешней(надкристальной) оптики.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Примерконструкции СИД с характерными размерами дан на рис. 1 Приложения. Активнаяобласть свечения имеет площадь порядка 1мм2. Полимерный купол СИДпредставляет собой линзу, назначение которой – обеспечение требуемой диаграммынаправленности свечения и механическая защита кристалла-излучателя. Кроме того,в полимере могут быть диспергированы зёрна люминофора, изменяющего цвет свечения.Так, например, если к собственному голубому излучению полупроводниковогокристалла добавить жёлто-зелёную линии спектра люминофора, то возможно получитьСИД белого свечения. Концентрация люминофора или его состав может изменяться,удовлетворяя, таким образом, требованию на цвет излучения СИД.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;color:black">Конструкциямощных светодиод­ных осветителей (рис. 1) создавалась на основе ножки сувеличен­ным теплоотводом за счет наварен­ной медной пластины. Полимерныйкорпус (показатель преломления

n<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;color:black"> = 1,55)содержит полусферическую линзу диаметром 18 мм. Для сбора и преобразованиябокового излучения кристаллов используется отража­тель, согласованный поразмерам с полимерной линзой. Отношение вы­соты полимерной линзы над крис­талламиS<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;color:black"> к радиусуполимерной линзы R<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;color:black"> <span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;color:black">в сочетании сдействием от­ражателя определяют полуширину пространственного распределениясилы света 2<span Courier New"; mso-hansi-font-family:«Courier New»;color:black;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">q<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; color:black">0.5<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; color:black">.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Светодиодныеосветители (СО) могут со­держать либо 1 кристалл (например, прибо­р типаУ-345Бл), либо 3 кристалла, сое­диненные последовательно (тип У-342Бл), либо 4кристалла, соеди­ненные последовательно — парал­лельно (тип У-337Бл). ТипичныеКСС таких осветителей представлены на рис.2 Приложения. Из рисунка видно, чтоувеличение количества кристаллов приводит к уширению КСС и, естественно, к увеличениюсветового потока.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Широкие КССприменимы в элементах общего освещения, когда необходимо, чтобы возможнобольший поток попадал на как можно большую площадь. Наоборот, узкие КССприменяются в источниках мононаправленного излучения: оптические дальномеры иуказатели, источники информации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи). Какправило, осветительные приборы на СИД представляют собой «кассету» изнескольких диодов (рис.3), в то время как СИД для ВОЛС, генераторы опорного напряженияоптикоэлектронных систем, оптопары представляют собой единичные элементы.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Кромеформирования определенной КСС, необходимо минимизировать потери световогопотока. Для этого в конструкции предусматривается линзовый илизеркально-линзовый оптический элемент (ОЭ), как указывалось выше, из полимерногоматериала, одновременно увеличивающий квантовый выход излучения и служащиймеханической защитой излучающего кристалла.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">В системах,передающих энергию на большие расстояния (до нескольких км), уменьшение угларассеяния имеет решающее значение (уменьшение размытия информационного импульса).Проектирование ОЭ, обеспечивающих малые углы, представляет некотороезатруднение. Это, в первую очередь, связано с тем, что источником излученияявляется поверхность кристалла диаметром около 1 мм. Поток излучения сосредоточенв полусфере и его распределение может иметь случайный характер. Иногда максимумэнергии сосредоточен в боковых зонах.

Можно проанализироватьразличные варианты оптических схем, потенциально пригодных для использованиясовместно с СИД, и сформулировать следующие требования к ОЭ [4]:

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">1.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> ОЭ долженперераспределять излучение СИД, направленное в полусферу, в заданном угле.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">2.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> Угол расходимостиизлучения должен быть минимальным.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">3.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> Потери излучения в ОЭ(за счет поглощения и рассеяния) должны быть минимальными.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">4.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> ОЭ должен  позволять осуществлять теплообмен.

5.  Конструкция ОЭ должна быть достаточно простойи технологичной.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Предложен рядконструкций ОЭ [4], работающих совместно с излучающим кристаллом и позволяющихполучать малые углы излучения. Во всех конструкциях излучающий кристаллпомешается в фокусе ОЭ. При этом любой луч после ряда отражений и преломленийвыходит из ОЭ параллельно оптической оси.

1.  В [4]  описана конструкция ОЭ,имеющего  три  рабочие поверхности (a,b, c) сложной асферической формы (рис.4). Особенностью конструкции является то, что отражение от поверхности b осуществляется либо назеркальном, либо на прозрачном участке за счет полного внутреннего отражения.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">2.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">  Там же рассмотрена конструкция ОЭ сосферической (а), эллиптической (b), параболической (c) и плоской (d) поверхностями(рис. 5).

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">3.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">  На рис. 6 показана конструкция [2] ОЭ споверхностями в виде сферы (а), параболы (b), w-образного аксикона (c) иплоскости (<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">d<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">).

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;color:black">Математическоемоделирование конструктивных и оптических пара­метров, а также анализтехнологиче­ских факторов показал [2], что наиболее высокие характеристики поп.п. 1-5 можно получить, используя конструк­цию по рис. 4. При этом размер излу­чающейплощадки не должен превы­шать 1мм, а световой диаметр ОЭ дол­жен быть не более40—60 мм.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Изготовлена[2] опытная партия ОЭ с конструкцией по рис.4. Диаметр ОЭ составляет 40 мм, тол­щина11,6 мм. Высокое качество полу­чаемой оптической поверхности (ко­эффициентдиффузного рассеяния в видимом диапазоне не превышал 0,7%) позволилоиспользовать весь арсенал вакуумных оптических покрытий. Сре­ди них серебряныеотражающие по­крытия с коэффициентом зеркального отражения в видимом и ближнемИК-диапазоне до 97%. Разработаны просветляющие покрытия, которые дополнительноповышают механиче­скую прочность и атмосферостойкоеть поверхности, а такжезаметно, на 10—20%, уменьшают доступ УФ-излучения в массу полимера, замедляяпро­цессы старения. Излучающий кри­сталл помещен внутри ОЭ в иммерси­оннойсреде. Потери излучения в ОЭ не пре­вышают 10% (в оптимальном варианте около6%), а угол расхождения выходя­щего излучения составляет 2

<span Courier New";mso-hansi-font-family:«Courier New»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">q<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">0.5<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">=2°. На кристалле с силойсвета около 500 мКд удается получить осевую силу света более 500 кд, т.е.достигается кон­центрация излучения СИД примерно на три порядка.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Результаты,полу­ченные на устройствах, показанных на рис. 4 имеют следующее применение[4]:

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; color:black">1.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; color:black"> Повышение дальности связи по оптическому каналу в атмосфере до 1км и более от единичного СИД. Если разместить внутри ОЭ площадку фотоприемника,что многократно повыша<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">етсоотношение сигнал—шум, дальность действия такой оптопары может составить 3-5км при «средних» метеоусловиях. Системы автоматизации и техникибезопасности становятся дистанционными, что может оказаться принципиальным,например, на радиационно-опасных объектах.

2.Увеличение    коэффициента    использования излучения СИД. ТрадиционныеИС, как правило, излучают свет во все стороны. С помощью ОЭ практически безпотерь можно сконцентрировать световой поток излучателя на площадке заданнойконфигурации.  Такие  излучатели могут найти применение в аварийных и иных подобных системах.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">3.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> Для сигнальных систем сточно определенным положением  наблюдателя,например, для семафоров па железной дороге или в метро, достаточно несколькоСИД с осевой силой света не менее 500 кд. Для сигнальных систем с нефиксированным,но ограниченным в пространстве положением наблюдателя, например, для уличныхсветофоров, желательны СИД с увеличенным углом расхождения, но с сохранениемминимума потерь излучения. В конструкции ОЭ такая возможность предусмотрена путемизменения прозрачности или размеров центрального зеркала,  частично путем  расфокусировки источника.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">4.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">  Направляя паралельный поток излучения от ОЭна зеркально отражающий конус, можно сформировать сигнал с малым угломизлучения в одной плоскости и 360° в другой. Такая схема освещения удобна дляпроблесковых маячков на специальных автомашинах, для подсветки знаковдорожной  и водной обстановки.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">5.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> Известные в практикеохранные системы, работающие в ИК-дипазоне, превращаются в автономные, легкоустанавливаемые, переносные.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Ещё один пример ОЭ СИД, состоящего из трёх сочленённых поверхностей,приведён на рис.7. Световыводящая часть полимерного корпуса выполнена в видетела вращения, сочленённого из трёх поверхностей: эллиптической, конусообразнойи параболической. Тело свечения расположено в фокусе эллипса, совмещённого сфокусом параболоида. Эллиптическая поверхность выводит из прибора параллельнооптической оси весь падающий свет, за исключением той его части, которая, испытываетполное внутреннее отражение или рассеяние компаундом в заднюю полусферу.Параболическая поверхность также выводит лучи (не попавшие на эллипсоид, аотразившиеся прямо от параболоида) параллельно оптической оси. Лучи, отразившиесяот параболоида, испытывают преломление на конусообразной поверхности, но ихнаправление параллельно оптической оси сохраняется. Таким образом, за счётиспользования усечённых эллипсоида и параболоида удаётся повысить силуизлучения диода в заданном направлении, сохранив при этом узкую диаграмму направленности.Конкретная ширина диаграммы направленности определяется степенью близостиреальных геометрических параметров ОЭ к расчётным.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">КонструированиеСИД с широкой диаграммой направленности представляет меньшие трудности, чем сузкой. Практически единственное, о чём придётся беспокоиться разработчику такихСИД, — требуемая (а не случайная) равномерность распределения потока.Примеры конструкции СИД с круговым свечением иих КСС представлены на рис.8 и рис.9. Приложения.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">Заключение<span Courier New";mso-bidi-font-family:Arial">

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Из-за существенной ограниченности пространств

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике