Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры
<span Courier New""> Ш2
<span Courier New""> ш1.5
<span Courier New""> 1Министерство науки, высшей школы итехнической политики РФ
<span Courier New""> 1Московский Государственный ИнститутЭлектроники и Математики
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1Факультет Электронной Техники
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1Кафедра- Материаловедение
<span Courier New""> 1электронной техники
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1РЕФЕРАТ
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1на тему 3 Материалы оптоэлектроники.
<span Courier New""> 3Полупроводниковыесветоизлучающие структуры. 0
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1Выполнилстудент группы И-41
<span Courier New""> 1Офров С.Г
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1Руководитель Петров В.С.
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1Рефератзащищён с оценкой _________
<span Courier New"">
<span Courier New""> _____________________________
<span Courier New""> (подписьпреподавателя, дата)
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1Москва 1994
<span Courier New""> ш0
<span Courier New"">.
<span Courier New""> — 1 -
<span Courier New"">
<span Courier New""> Материалы оптоэлектроники.
<span Courier New""> Полупроводниковые светоизлучающиеструктуры.
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1.1. Предмет оптоэлектроники.
<span Courier New"">
<span Courier New""> Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники,
<span Courier New"">занимающийсявопросами генерации, переноса (передачии приёма),
<span Courier New"">переработки(преобразования), запоминания и храненияинформации
<span Courier New"">на основеиспользования двойных (электрических и оптических) ме-
<span Courier New"">тодов и средств.
<span Courier New""> Оптоэлектронный прибор — это (порекомендации МЭК) прибор,
<span Courier New"">чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфра-
<span Courier New"">красной илиультрафиолетовой областях; или прибор,излучающий и
<span Courier New"">преобразующийнекогерентное или когерентное излучениев этих же
<span Courier New"">спектральныхобластях; или прибор, использующий такое электро-
<span Courier New"">магнитноеизлучение для своей работы.
<span Courier New""> Обычно подразумевается также «твердотельность» оптоэлек-
<span Courier New"">тронныхприборов и устройств или такая их структура (в случае
<span Courier New"">использованиягазов и жидкостей), которая допускала быреализа-
<span Courier New"">цию с применением методов современной интегральной техники в
<span Courier New"">микроминиатюрномисполнении. Таким образом,оптоэлектроника ба-
<span Courier New"">зируется на достижениях целого ряда достижений науки итехники,
<span Courier New"">среди которыхдолжны быть выделены прежде всегоквантовая элек-
<span Courier New"">троника,фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и техно-
<span Courier New"">логия, а такженелинейная оптика, электрооптика, голография, во-
<span Courier New"">локонная оптика.
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 2 -
<span Courier New"">
<span Courier New""> Принципиальные особенности оптоэлектронныхустройств связа-
<span Courier New"">ны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с
<span Courier New"">электронамивыступают электрически нейтральные фотоны. Этим
<span Courier New"">обуславливаютсяих основные достоинства:
<span Courier New""> 1. Высокая информационная ёмкость оптическогоканала.
<span Courier New""> 2. Острая направленность излучения.
<span Courier New""> 3. Возможность двойной модуляции световоголуча — не только
<span Courier New"">временной, но ипространственной.
<span Courier New""> 4. Бесконтактность,«элетропассивность» фотонных связей.
<span Courier New""> 5. Возможность простого оперирования созрительно восприни-
<span Courier New"">маемыми образами.
<span Courier New""> Эти уникальные особенности открывают передоптоэлектронными
<span Courier New"">приборами оченьширокие возможности применения в качестве эле-
<span Courier New"">ментов связи,индикаторных приборов, различных датчиков. Тем са-
<span Courier New"">мым оптоэлектроникавносит свою, очень значительную, долю в
<span Courier New"">комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.
<span Courier New"">Дальнейшееразвитие и совершенствование средств оптоэлектроники
<span Courier New"">служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводи-
<span Courier New"">тельныхвычислительных комплексов, запоминающих устройств ги-
<span Courier New"">гантской ёмкости,высокоскоростной связи, твердотельного телеви-
<span Courier New"">дения иинфравидения.
<span Courier New""> Основу практически любой оптоэлектроннойсистемы составляет
<span Courier New"">источникизлучения: именно его свойства иопределяют, в первую
<span Courier New"">очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить
<span Courier New"">на две большиегруппы: с когерентным (лазеры) и снекогерентным
<span Courier New"">(светоизлучающиедиоды и др.) излучением. Устройства с использо-
<span Courier New"">ваниемкогерентного или некогерентного света обычно резко отли-
<span Courier New"">чаются друг отдруга по важнейшим характеристикам.
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 3 -
<span Courier New"">
<span Courier New""> Всё это оправдывает использование такихтерминов как «коге-
<span Courier New»">рентнаяоптоэлектроника" и «некогерентная оптоэлектроника». Ес-
<span Courier New"">тественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия
<span Courier New"">между ними оченьсущественны.
<span Courier New""> История оптоэлектроники ведёт своё началос открытия опти-
<span Courier New"">ческогоквантового генератора — лазера (1960 г.). Примерно в то
<span Courier New"">же время (50-60-егг.) получили достаточно широкое распростране-
<span Courier New"">ниесветоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, уст-
<span Courier New"">ройствауправления световым лучом и другие элементы оптоэлектро-
<span Courier New"">ники.
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1.2. Генерация света.
<span Courier New"">
<span Courier New""> Оптический диапазон составляютэлектромагнитные волны, дли-
<span Courier New"">ны которыхпростираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон за-
<span Courier New"">мечателентем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется
<span Courier New"">корпускулярно-волновойдуализм; энергия фотона и соответствующие
<span Courier New"">ей частота колебаний и длина волны света связаныследующими со-
<span Courier New"">отношениями:
<span Courier New""> ш1 7
<span Courier New""> 7)
<span Courier New""> 7n 0[Гц] =3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2
<span Courier New""> 78
<span Courier New""> 7e 4ф 0[эВ]= 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2
<span Courier New""> 70
<span Courier New""> ш0
<span Courier New""> При известной удельной мощности Pплотность фотонного пото-
<span Courier New"">ка N определяетсявыражением
<span Courier New""> N[м 5-2 0с 5-1 0] =5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].
<span Courier New"">
<span Courier New""> Все светогенерационные эффекты относятлибо к тепловому из-
<span Courier New"">лучению, либо кодному из видов люминесценции. Спектризлучения
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 4 -
<span Courier New"">
<span Courier New"">нагретого телаопределяется формулой Планка, которая для так на-
<span Courier New"">зываемогоабсолютно чёрного тела имеет вид
<span Courier New""> f( 7l 0,T) =2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[exp(hc/(kT 7l 0)) — 1] 5-1 0,
<span Courier New"">где h, c, k — известные универсальные константы; T — абсолютная
<span Courier New"">температура. Придостаточно высоких температурах (>2500...3500 К)
<span Courier New"">часть спектратеплового излучения приходится на видимую область.
<span Courier New"">При этом, однако,всегда значителен длинноволновый «хвост».
<span Courier New""> Люминесценция представляет собойизлучение, характеризующе-
<span Courier New"">еся тем, что его мощность превышает интенсивностьтеплового из-
<span Courier New"">лучения приданной температуре («холодное» свечение).
<span Courier New""> Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде
<span Courier New"">дискретныхэнергетических состояний, при тепловом равновесии они
<span Courier New"">занимаютнаинизшие уровни. В люминесцирующемвеществе за счёт
<span Courier New"">энергии того илииного внешнего воздействия часть электронов пе-
<span Courier New"">реходит на болеевысокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение
<span Courier New"">этих электронов на равновесный уровеньE 41 0 сопровождается испус-
<span Courier New"">канием фотонов сдлиной волны, определяемой простым соотношением:
<span Courier New""> ш1
<span Courier New""> 1,23
<span Courier New""> 7l 0 =─────────────[мкм]
<span Courier New""> (E 42 0 — E 41 0)[эВ]
<span Courier New""> ш0
<span Courier New"">
<span Courier New""> Физика люминесценции предопределяет двепримечательные осо-
<span Courier New"">бенностипроцесса: узкий спектр излучения ивозможность исполь-
<span Courier New"">зования большогочисла способов возбуждения. В оптоэлектронике
<span Courier New"">главнымобразом используютсяэлектролюминесценция (пробой и ин-
<span Courier New"">жекция p-nперехода в полупроводниках), а такжефото- и катодо-
<span Courier New"">люминесценция(бомбардировка люминофора быстрыми электронами).
<span Courier New"">
<span Courier New""> При распространении световых лучей важную роль играет диф-
<span Courier New"">ракция,обусловленная волновой природой света и приводящая, в
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 5 -
<span Courier New"">
<span Courier New"">частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы
<span Courier New"">параллельныйпучок становится расходящимся, причём угол расходи-
<span Courier New"">мости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D, где D — апертура (диаметр лучасвета).
<span Courier New"">Дифракционныйпредел разрешающей способности оптических систем
<span Courier New"">соизмеримс 7 l 0, а плотность записиинформации с помощью световых
<span Courier New"">потоков не можетпревысить 7 l 5-2 0.
<span Courier New""> В веществе с показателем преломления nскорость распростра-
<span Courier New"">нения световоголуча становится c/n, а посколькувеличина n за-
<span Courier New"">висит от длиныволны (как правило, растёт суменьшением 7 l 0), то
<span Courier New"">это обуславливаетдисперсию.
<span Courier New"">
<span Courier New""> 1.3. Источники излучения.
<span Courier New"">
<span Courier New""> Оптоэлектроника базируется на двухосновных видах излучате-
<span Courier New"">лей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающихдиодах
<span Courier New"">(некогерентноеизлучение).
<span Courier New""> В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые,
<span Courier New"">твердотельные иполупроводниковые лазеры. Разрежённость газового
<span Courier New"">наполнения врабочем объёме обусловливает высокую степень монох-
<span Courier New"">роматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую на-
<span Courier New"">правленностьи, в конечном счёте, когерентностьизлучения. В то
<span Courier New"">же времязначительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки
<span Courier New"">газоразрядныхприборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ
<span Courier New"">как универсальныйоптоэлектронный элемент.
<span Courier New""> Значительные мощности излучениятвердотельных лазеров обус-
<span Courier New"">лавливаютперспективность применения этих генераторов в дально-
<span Courier New"">действующихволоконнооптических линиях связи.
<span Courier New""> Наибольший интерес для разнообразныхоптоэлектронных приме-
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 6 -
<span Courier New"">
<span Courier New"">ненийпредставляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому
<span Courier New"">к.п.д., малымгабаритам, высокому быстродействию, простоте уп-
<span Courier New"">равления.Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного
<span Courier New"">полупроводниковогосоединения Ga Al As. В их структуре тонкий
<span Courier New"">слой n-типа проводимости «зажат» между областямиn- и p-типов
<span Courier New"">того жематериала, но с большими значениямиконцентраций алюми-
<span Courier New"">ния исоответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В
<span Courier New"">роли резонатораможет также выступать поверхностная дифракцион-
<span Courier New"">ная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической об-
<span Courier New"">ратной связи.
<span Courier New""> Для оптоэлектроники особый интереспредставляют полупровод-
<span Courier New"">никовыеизлучатели — инжекционные (светодиоды) и электролюминес-
<span Courier New"">центные(электролюминофоры). В первых излучение появляется в ре-
<span Courier New"">зультатерекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход
<span Courier New"">электронами. Чембольше ток через светодиод, тем ярче его высве-
<span Courier New"">чивание. Взависимости от материала диода и примесей в нём меня-
<span Courier New"">ется цветгенерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, си-
<span Courier New"">ний (соединениягалия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и
<span Courier New"">пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединениягалия с мышь-
<span Courier New"">яком генерируютневидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92
<span Courier New"">мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют макси-
<span Courier New"">мальнуючувствительность. Для светодиодовхарактерны малые раз-
<span Courier New"">меры(0,3 7& 00,3 мм), большиесрок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-
<span Courier New"">родействие(10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения(1,6...3,5
<span Courier New"">В) и токи(10...100 мА).
<span Courier New"">
<span Courier New"">.
<span Courier New""> — 7 -
<span Courier New"">
<span Courier New""> ш1.5
<span Courier New""> Л+
<span Courier New""> Таблица 1. Основные материалы длясветодиодов.
<span Courier New""> ╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗
<span Courier New""> ║ Полупро- │ 4o 0 5 0│ Цвет │Эффектив-│ Быстродействие, ║
<span Courier New""> ║ водник │ 7l 0,A │ │ность, % │ нс ║
<span Courier New""> ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
<span Courier New""> ║ GaAs │ 9500 │ ИК │ 12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
<span Courier New""> ║ │ 9000 │ │ 2 │ 10 5-9 0...10 5-8 0 ║
<span Courier New""> ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
<span Courier New""> ║ GaP │ 6900 │Красный │ 7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
<span Courier New""> ║ │ 5500 │ Зелёный │ 0,7 │10 5-7 0...10 5-6 0 ║
<span Courier New""> ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
<span Courier New""> ║ GaN │ 5200 │Зелёный │ 0,01 │ ║
<span Courier New""> ║ │ 4400 │ Голубой │ 0,005 │ ║
<span Courier New""> ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
<span Courier New""> ║GaAs 41-x 0P 4x 0 │ 6600 │ Красный │ 0,5 │ 3 77 010 5-8 0 ║
<span Courier New""> ║ │ 6100 │ Янтарный│ 0,04 │ 3 77 010 5-8 0 ║
<span Courier New""> ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
<span Courier New""> ║Ga 41-x 0Al 4x 0As │ 8000 │ ИК │ 12 │ 10 5-8 0 ║
<span Courier New""> ║ │ 6750 │ Красный │ 1,3 │ 3 77 010 5-8 0 ║
<span Courier New""> ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
<span Courier New""> ║ │ 6590 │ Красный │ 0,2 │ ║
<span Courier New""> ║In 41-x 0Ga 4x 0P │ 6170 │ Янтарный │ 0,1 │ ║
<span Courier New""> ║ │ 5700 │ Желто- │ 0,02 │ ║
<span Courier New""> ║ │ │ зелёный │ │ ║
<span Courier New""> ╚════════════╧══════╧══════════╧═════════╧═════════════════╝
<span Courier New""> ш0
<span Courier New""> Л-
<span Courier New"">
<span Courier New""> Излучатели на основе люминофоровпредставляют собой порош-
<span Courier New"">ковые илитонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной
<span Courier New"">прозрачнойподложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор
<span Courier New"">на основе соединения цинка с серой, который излучаетсвет под
<span Courier New"">действиемсильного знакопеременного электрического поля. Такие
<span Courier New"">светящиесяконденсаторы могут изготовляться различных размеров
<span Courier New"">(от долейсантиметра квадратного до десяти и более квадратных
<span Courier New"">метров), различнойконфигурации, что позволяетизготавливать из
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 8 -
<span Courier New"">
<span Courier New"">нихзнако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, кар-
<span Courier New"">ты, ситуации.
<span Courier New""> В последнее время для малогабаритных устройств индикации
<span Courier New"">широко стала использоваться низковольтнаякатодолюминесценция -
<span Courier New"">свечениелюминофора под действием электронного луча. Такие ис-
<span Courier New"">точникиизлучения представляют собой электровакуумную лампу,
<span Courier New"">анод которойпокрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зе-
<span Courier New"">лёный, синий светпри попадании на него ускоренных электрическим
<span Courier New"">полемэлектронов. Простота конструкции, низкаястоимость, боль-
<span Courier New"">шие яркости и большой срок службы сделаликатодолюминесценцию
<span Courier New"">удобной дляразличных применений в оптоэлектронике.
<span Courier New"">
<span Courier New""> 2. СВЕТОДИОДЫ.
<span Courier New"">
<span Courier New""> Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэ-
<span Courier New"">лектроникиявляются светодиоды. Такими их делаютмалые габариты
<span Courier New"">и масса(излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок
<span Courier New"">службы,измеряемый годами и дажедесятками лет (10 54 0...10 55 0 ч),
<span Courier New"">высокоебыстродействие, не уступающее интегральным схемам
<span Courier New"">(10 5-9 0...10 5-5 0с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5В), малая
<span Courier New"">потребляемаямощность (20...600 мВт), возможностьполучения из-
<span Courier New"">лучения заданногоспектрального состава (от синего до красного в
<span Courier New"">видимой частиспектра и ближнего инфракрасного излучения). Они
<span Courier New"">используютсяв качестве источника излучения для управления фо-
<span Courier New"">топриёмниками воптронах, для представления цифро-буквеннойин-
<span Courier New"">формации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в
<span Courier New"">компьютерах и пр.
<span Courier New""> Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход,
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 9 -
<span Courier New"">
<span Courier New"">прохождение токачерез который в прямом направлении сопровожда-
<span Courier New"">ется генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является
<span Courier New"">следствиеминжекционной люминесценции — рекомбинации инжектиро-
<span Courier New"">ванных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока
<span Courier New"">(электронов) сосновными носителями тока в базе (дырками) (люми-
<span Courier New"">несценция - испускание света веществом, не требующее для этого
<span Courier New"">нагревавещества; инжекционная электролюминесценция означает,
<span Courier New"">что люминесценциястимулирована электрическим током).
<span Courier New""> Электролюминесценция может быть вызвана также сильным
<span Courier New"">электрическимполем, как в случаеэлектролюминесцентных конден-
<span Courier New"">саторов сдиэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробой-
<span Courier New"">наяэлектролюминесценция Дестрио).
<span Courier New""> Светодиоды для видимого и ближнегоинфракрасного излучения
<span Courier New"">изготавливаютсяглавным образом из монокристаллов материалов ти-
<span Courier New"">паA 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соеди-
<span Courier New"">нений:GaAs 41-x 0P 4x 0, Ga 41-x 0Al 4x 0As, где x — доля содержания того или
<span Courier New"">другого элементав соединении.
<span Courier New""> Дляполучения требуемого цвета свечения материалы сильно
<span Courier New"">легируютсясоответствующими примесями или их состав сильно варь-
<span Courier New"">ируется.Так, для получения красного излученияфосфид галия ле-
<span Courier New"">гируется цинком икислородом, для получения зелёного- азотом.
<span Courier New"">Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39, то светодиод излучает красный свет с
<span Courier New""> 7l 0=660нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.
<span Courier New""> Из простого соотношения, связывающегодлину волны излучения
<span Courier New"">с ширинойзапрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ]
<span Courier New"">следует, чтовидимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от
<span Courier New"">широкозонныхполупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72
<span Courier New"">эВ. У арсенидагалия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэто-
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 10 -
<span Courier New"">
<span Courier New"">му светодиоды изарсенида галия излучают невидимое, инфракрасное
<span Courier New"">излучение с 7l 0=900 нм. У фосфида галия 7e 0=2,19 эВ. Он может уже
<span Courier New"">излучать видимыйсвет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует
<span Courier New"">желто-зелёномусвечению. Как преобразователь электрической энер-
<span Courier New"">гии в световую,светодиод характеризуется внешней эффективностью
<span Courier New"">(или к.п.д.).
<span Courier New""> ш1
<span Courier New""> число эмиттированных квантовсвета
<span Courier New""> 7h 0 =──────────────────────────────────────────
<span Courier New""> число инжектированных неосновныхносителей
<span Courier New""> ш0
<span Courier New"">
<span Courier New""> Эффективность светодиодов невелика 7h, 00,1 (10%). В большинс-
<span Courier New"">тве случаев онане превышает 0,5...5%. Это обусловленотем, что
<span Courier New"">свет трудновывести из полупроводника наружу. При высоком значе-
<span Courier New"">нии коэффициентовпреломления используемых поводников (для арсе-
<span Courier New"">нида галия n=3,3для воздуха — 1) значительная часть рекобинаци-
<span Courier New"">онногоизлучения отражается от границы раздела полупровод-
<span Courier New"">ник-воздух,возвращается в полупроводник и поглощается в нём,
<span Courier New"">превращаясь втепло. Поэтому сравнительно невеликисредние яр-
<span Courier New"">костисветодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0,
<span Courier New"">I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этимпараметрам они ус-
<span Courier New"">тупают лампочкамнакаливания, по остальным — превосходят их.
<span Courier New""> Светодиод — миниатюрный твердотельныйисточник света. У не-
<span Courier New"">го отсутствует отпаянная колба как у лампынакаливания. У него
<span Courier New"">нет нитинакала, а значит отсутствует времяразогрева и микро-
<span Courier New"">фонный эффект. Онболее стоек к механическим ударам и вибрациям.
<span Courier New"">Излучениесветодиода весьма близко к монохроматическому в преде-
<span Courier New"">лах 7Dl 0=40...100 нм. Это снижаетфоновые шумы источника по срав-
<span Courier New"">нению со случаемприменения фильтров для монохроматизации излу-
<span Courier New"">чения немонохроматическогоисточника.
<span Courier New"">
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 11 -
<span Courier New"">
<span Courier New""> 2.1. Конструкция светодиодов.
<span Courier New"">
<span Courier New""> В излучателе плоской конструкции (рис.1, а)излучающий пере-
<span Courier New"">ход выполнен илидиффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями
<span Courier New"">показаны лучи, которые из-за полного внутреннегоотражения от
<span Courier New"">границы разделане выходят из кристалла. Из кристалла выходят
<span Courier New"">только те лучи, которые с нормалью составляют угол 7Q, 0arcsin
<span Courier New"">n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия — этоконус с углом у
<span Courier New"">вершины не более35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и
<span Courier New"">простой. Однако она наименее эффективна, ейсоответствует узкая
<span Courier New"">диаграмманаправленности излучения (рис. 2).
<span Courier New""> Геометрические размеры полусферическойконструкции светоди-
<span Courier New"">ода (рис. 1, б) таковы, чтоR 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этомслучае всё излу-
<span Courier New"">чение попадает награницу раздела под углом, совпадающим снор-
<span Courier New"">малью, иполностью выходит наружу. Эффективность полусферической
<span Courier New"">конструкции — самая высокая. Она примерно в десять раз превышает
<span Courier New"">эффективностьплоской конструкции. Однако она намного дороже и
<span Courier New"">сложнее визготовлении.
<span Courier New""> Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпок-
<span Courier New"">сидной смолы,выполняющей роль линзы (рис. 1, в). Смола имеет ко-
<span Courier New"">эффициентпреломления промежуточный между воздухом и кристаллом.
<span Courier New"">Это позволяетнесколько увеличить светящуюся поверхность диода.
<span Courier New"">В последнем случае смола подкрашивается под цветизлучения све-
<span Courier New"">тодиода.Большинство сигнальных и отображающих светодиодов вы-
<span Courier New"">полняется такойконструкции.
<span Courier New""> Принципиальное устройство светодиодапоказано на рис. 3.
<span Courier New"">Светодиоды могутизготавливаться и бескорпусными. Тогдаих раз-
<span Courier New"">меры определяютсяразмерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New""> — 12 -
<span Courier New"">
<span Courier New""> 2.2. Свойства светодиодов.
<span Courier New"">
<span Courier New""> Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична
<span Courier New"">вольт-ампернойхарактеристике кремниевого диода: она имеет круто
<span Courier New"">возрастающуюпрямую ветвь. На этом участке динамическое сопро-
<span Courier New"">тивление мало ине превышает нескольких ом. Обратныенапряжения
<span Courier New"">невелики(3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитанна значительные
<span Courier New"">обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять
<span Courier New"">соответствующихмер защиты. Если светодиод должен работать от
<span Courier New"">сети переменноготока, то последовательно с ним включается крем-
<span Courier New"">ниевый диод,который работает как выпрямляющий вентиль. В стати-
<span Courier New"">ческом режиме номинальный ток в зависимости от типа светодиода
<span Courier New"">лежит в пределахот 5...10 мА до 100 мА.
<span Courier New""> Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения
<span Courier New"">практическилинейно зависит от тока через диод в широком диапа-
<span Courier New"">зоне изменениятоков. Исключение составляют красные GaP — свето-
<span Courier New"">диоды, укоторых с ростом тока наступает насыщение яркости
<span Courier New"">(рис. 4). Этонеобходимо иметь в виду, когда светодиод использу-
<span Courier New"">ется в импуль