Светоизлучающие диоды

Реферат по предмету Физические основы электроники. Тема Светоизлучающие диоды . Студент Шифман. Преподаватель Болтаев. Группа Р-116А г. Екатеринбург 2001. ОглавлениеЦель работы 3 Введение 3 Физические основы работы светоизлучающих диодов 4 Инжекция неосновных носителей тока 4 Вывод света из полупроводника 7

Основные полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов 10 Арсенид галлия 10 Фосфид галлия 11 Светоизлучающиие диоды 12 Области применения и требования к приборам 12 Светоизлучающий кристалл 13 Устройство светоизлучающих диодов 15 Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения 17 Электролюминесцентные лампы 20 Индикаторы состояния 20

Индикаторы на светодиодах 23 Список использованной литературы 26 Цель работы Полупроводниковые светоизлучающие диоды - новый класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе действия-инжекционная электролюминесценция, эффективная в соединениях типа АIIIВV. Огромный интерес, проявляемый к светоизлучающим диодам специалистами в области радиоэлектроники,

отображения информации, оптоэлектроники, обусловлен их замечательными характеристиками высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую, высоким быстродействием, малым потреблением энергии, надежностью, большим сроком службы, высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям. Цель реферата узнать о современных достижениях в области создания излучающих структур на основе соединений типа АIIIВV и приборов на их основе ознакомиться с устройством светоизлучающих диодов, знаковых индикаторов,

излучающих диодов инфракрасного диапазона рассмотреть основные области применения полупроводниковых светоизлучающих приборов Введение Свет играет исключительно важную роль в жизни и производственной деятельности человека. Поэтому постоянно актуальна проблема создания высокоэффективных и надежных источников света. Полупроводниковая электроника до недавнего време-ни могла решать задачи преобразования электрические сигналов в электрические диоды, транзисторы, тиристоры и т. п. и оптических сигналов в электрические

фотодиоды, фототранзисторы и т. п В последние годы в результате синтеза и исследования новых полупроодниковых соединений типа AIIIBV была решена задача преобразования электрических сигналов в оптиеские и созданы новые источники света - полупроводниковые светоизлучающие диоды, действующие на основе излучательной рекомбинации инжектированных р-n-переходом носителей. Современные полупроводниковые светоизлучающие диоды характеризуются высокими техническими характеристиками

высокой яркостью тысячи кандел на квадратный метр и высокой эффективностью преобраования электрической энергии в световую до единиц люмен на ватт высоким внешним квантовым выходом излучения до 45 в инфракрасном диапазоне совместимостью по входным параметрам с транзисторными микросхемами, а по спектру излучения диодов инфракрасного диапазона - с фотоприемниками на основе кремния высоким быстродействием до единиц наносекунд надежностью и большим сроком службы до сотен тысяч часов .

Вследствие этого они имеют обширные и многообразные области применения. Более 100 лет прошло с момента создания лампы накаливания, получившей чрезвычайно широкое распротранение. В настоящее время светоизлучающие диоды вытесняют лампы накаливания в таких областях, как визуальная индикация и подсветка в устройствах отображения информации. Светоизлучающие диоды широко применяются также для внутрисхемной и панельной индикации состояния электронных

схем, в системах записи информации на фотопленку, в фотоэлектрических устройствах, в измерительной технике для создания бесстрелочных шкал и т. п. Созданные на основе светоизлучающих р-n-переходов многоэлементные знаковые индикаторы широко используются в быстродействующих системах отображения информации, в вычислительной технике, автоматке, радиоэлектронике и позволяют вывести цифро-буквенную и графическую информацию. Диоды, излучающие в инфракрасной области спектра ИК диоды , положили начало развитию новой области

электроники - твердотельной оптоэлектроники. Они широко применяются в оптронах различного типа в позиционно-чувствительных фотоэлектрических устройствах, в устройствах автоматического управления, в устройствах ввода - вывода данных вычислительной техники, в системах оптической связи и т. п. Создание светоизлучающих диодов со столь высокими техническими характеристиками и разнообразного назначения стало возможным в результате взаимосвязанного развития физических исследований, материаловедения соединений

AIIIBV и полупроводниковой технологии. Синтез полупроводниковых соединений, изучение их физико-химических свойств, в том числе механизмов излучательной рекомбинации в связи со структурой зон и легированием, позволили осуществить выбор основных материалов для создания излучающих диодов различного назначения. Разработка новых эпитаксиальных методов выращивания слоев бинарных соединений и многокомпонентных твердых растворов, а также гомо- и гетеропереходов на их основе, позволила оптимизировать устройство приборов

и повысить их эффективность. Получение объемных монокристаллов соединений позволило разработать высокопроизводительную технологию производства приборов. На основе успешных физических и технологических исследований, а также конструкторских разработок в настоящее время в СССР и за рубежом создана мощная промышленность по производству полупроводниковых соединений типа АIIIВV эпитаксиальных структур и светоизлучающих приборов на их основе. Физические основы работы светоизлучающих диодов Инжекция неосновных носителей тока

В основе работы полупроводниковых светоизлучаю-щих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшие из них инжекция неосновных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо- или гете-ропереходом излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры. В настоящей главе будут рассмотрены важнейшие физические явления, на основе которых функционирует светоизлучающий диод и которые необходимо учитывать при конструировании приборов различного назначения.

Явление инжекции неосновных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов недаром эти приборы часто называют инжекционными источниками света . Вопросы физики протекания инжекционного тока в р-n-переходах рассмотрены в работах Шокли и многих монографиях. В обобщенном виде инжекция носителей р-п- переходом может быть представлена следующим образом. Когда в полупроводнике создается р-n-переход, то носители в его окрестностях распределяются

таким образом, чтобы выров-нять уровень Ферми. В области контакта слоев p- и n-типов элек-троны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доно-ров на n-сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р-стороне. Электрическое поле дипольного слоя созда-ет потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. При подаче на р-n-переход электрического смещения в прямом направлении

U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область - дырок. Такое диффузионное введение неосновных носителей называется инжекцией. Концентрация инжектированных электронов на границе р-n-перехода и р-области n хp определяется выражением п Хр np exp еU kT , 1 где nр-концентрация равновесных электронов в р-области k-константа Больцмана Т-температура e-заряд электрона. Концентрация инжектированных носителей зависит только от

равновесной концентрации неосновных носителей и приложенного напряжения. Поскольку инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями соответствующей области, то их концентрация п р в зависимости от расстояния от р-n-перехода изменяется следующим образом для электронов в р-области n p n xp exp - x-xp Ln , 2 где Ln - Диффузионная длина электронов. Как следует из формулы 2 . концентрация избыточных носителей экспоненциально спадает по мере удаления

от р-n-перехода и на расстоянии Ln Lр уменьшается в e раз, где e 2,72 основание натурального логарифма . Диффузионный ток In, обусловленный рекомбинацией инжектированных электронов, описывается выражением In eDnnp exp eU kT -1 Ln 3 где Dn - коэффициент диффузии электронов. Диффузионный ток дырок In описывается аналогичным выражением. В случае, когда существенны оба компонента тока электронный и дырочный , общий ток

I описывается формулой I In0 Iр0 exp eU kT - 1 , 4 где In0 eDn np Ln Ip0 eDp pn Lp. 5 Особенность решения вопросов инжекции при конструировании светоизлучающих диодов, в которых, как правило, одна из областей p-n-структуры оптически активна, т.е. обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения, заключается в том, что для получения эффективной электролюминесценции вся инжекция неосновных носителей должна направляться в эту активную область, а инжекция в противоположную

сторону-подавляться. Если активна область р-типа, то необходимо, чтобы электронная составляющая диффузионного тока преобладала над дырочной, а интенсивность рекомбинации в области объемного заряда была низка. Коэффициент инжекции п , т.е. отношение электронной компоненты тока In0 к полному прямому току I In0 Ip0, определяется по формуле n LpNd LpNd Dp Dn LnAa , 6 где Nd и Na - концентрации доноров и акцепторов в л- и р -областях.

Из выражения 6 следует, что для получения величины п, близкой к 1, необходимо, чтобы Nd Na, Lp Ln, Dn Dp. Решающую роль, безусловно, имеет обеспечение соотношения Nd Na. Однако повышение концентрации носителей в инжектирующей области имеет свои пределы. Как правило, значения Nd или Na не должны превышать 1-5 I019 см-3, так как при более высоком уровне легирования возрастает концентрация дефектов в материале,

что приводит к увеличению доли туннельного тока и ухудшению, тем самым, инжектирующих свойств р-n-перехода. Как будет видно из дальнейшего изложения, для повышения внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в прямо-зонных полупроводниках необходимо повышать концентрацию носителей и в активной области, в связи с чем возникают дополнительные трудности с обеспечением одностороннего характера инжекции. Таким образом, в гомопереходах существуют трудности по обеспечению высокого коэффициента инжекции носителей

в активную область, обусловленные противоречивыми требованиями к легированию p- и n-областей структуры для достижения высокого коэффициента инжекции и максимального квантового выхода электролюминесценции в активной области. В некоторых полупроводниках высокий коэффициент инжекции носителей в одну из областей р-n-перехода может быть обеспечен разницей в подвижности электронов и дырок. Так, в GaAs и других прямозонных соединениях высокий коэффициент инжекции электронов в р-область может

быть осуществлен за счет более высокой подвижности электронов. Следует отметить, что в последнее время появились светоизлучающие диоды, в которых люминесцируют обе области p-n-перехода, а также область пространственного заряда, и от эффективности излучательной рекомбинации в этих областях зависят важные характеристики цвет свечения, сила света и т. п. В этом случае инжекция носителей в обе области должна носить дозированный характер, что предъявляет

высокие требования к точности легирования областей p - n-структуры. Кардинальное решение проблемы односторонней инжекции дают гетеропереходы. Свойства гетеропереходов, возникающих на границе раздела двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, описаны в ряде монографий. В зонной модели резкого n-р- и р-n-гетероперехода в отличие от зонной модели гомоперехода вследствие разности электронного сродства контактирующих веществ появляются разрывы

в валентной зоне E и зоне проводимости Ec. Наличие этих потенциальных барьеров при смещении перехода в пропускном направлении приводит к односторонней инжекции носителей тока из широкозонного материала в узкозонный практически независимо от уровня легирования n- и p-областей. Для обеспечения односторонней инжекции носителей с помощью гетероперехода достаточна разница в ширине запрещенной зоны около 0,1 эВ, так как отношение In

Ip пропорционально ехр Eg kT . Другая особенность гетеропереходов заключается в возможности получения в узкозонном полупроводнике концентрации инжектированных носителей, превышающей концентрацию основных носителей в широкозонном полупроводнике. Этот эффект называется суперинжекцией. Явление суперинжекции позволяет получить в активной области высокую концентрацию инжектированных носителей, недостижимую с помощью гомоперехода. В некоторых случаях о явлении суперинжекции говорят и тогда, когда

концентрация инжектированных носителей в активной области при наличии гетероэмиттера превышает концентрацию носителей в активной области при том же токе в случае гомоперехода. Для инжекции неосновных носителей в активную область структуры применяется также контакт металл - полупроводник барьер Шоттки или металл - диэлектрик - полупроводник. Такой контакт создают в тех случаях, когда получение р-n-перехода невозможно, например при использовании

полупроводниковых соединений типа AIIBVI ZnS, ZnSe , GaN и др. Эффективность инжекции носителей в полупроводник у барьеров Шоттки весьма низка не превышает 1 , что приводит к малым значениям КПД излучающих диодов даже при высоких значениях внутреннего квантового выхода излучения. В связи с этим барьеры Шоттки не нашли широкого применения при изготовлении излучающих диодов.

Помимо инжекции существует еще один механизм возбуждения электролюминесценции - это ударная ионизация при обратном смещении р-n-перехода до напряжения электрического пробоя. Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен, чем инжекционный, из-за участия в нем разогретых носителей, которые часть энергии возбуждения передают решетке полупроводника. Кроме того, ударная ионизация требует высоких напряжений на р-n-переходе, вызывающих сильный перегрев

р-n-перехода, который в отсутствие достаточного теплоотвода от кристалла может приводить к тепловому пробою и выходу прибора из строя. Вывод света из полупроводника Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р - n-переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь 1 потери на внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник - воздух под углом, большим критического 2 поверхностные потери на

френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического 3 потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях 4 потери на поглощение излучения в толще полупроводника.Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника nп и воздуха na доля выходящего излучения определяется значением критического угла пр между направлением светового луча и нормалью к

поверхности пр arcsin n-1, где n nn nв. Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла пр равны примерно 16 и 17,7 . Излучение, падающее на поверхность раздела полупроводник - воздух под углом, меньшим критического, выводится из кристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннее отражение. Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то все отраженное

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 из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического. Долю светового излучения, которая может быть вы ведена через верхнюю

поверхность кристалла плоско конфигурации при первом падении световой волны, определяют по формуле F sin2 пр 2 Тср , 7 где Тср - средний коэффициент пропускания света поверхностью кристалла для лучей, падающих на границу раздела под углом, меньшим критического. Коэффициент пропускания света, падающего нормально к поверхности, определяется по формуле Френеля Т 4 n 1 n -2 8 и равен для границы GaAs - воздух -

0,69 GaP - воздух - 0,715. Так как вблизи критического угла пропускание уменьшается, то можно ожидать средний коэффициент пропускания соответственно Тcр0,67 и 0,695. Как следует из формулы 1.16 , значение величины F для таких полупроводников, как GaAs и GaP, находится в пределах 1,3-1,65 . Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической

эффективности светоизлучающих диодов. В настоящее время существует несколько таких путей, кратко их рассмотрим. 1. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого p-n-переходом света падала на границу раздела под углом, меньшим критического. В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера сфера Вейерштрасса и другие. В этих конструкциях кристалла размер р-n-перехода существенно меньше диаметра

полусферы, что и позволяет получать малое отклонение падающего на поверхность луча от нормали к поверхности. Если провести расчет, при некоторых допущенных не учитывать поглощение света в толще материала, отраженное поверхностью полупроводника излучение считать полностью поглощенным , то он покажет, что использование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить вывод излучения 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 при использовании структур GaAs Si, GaP Zn, 0 GaP N и др. 2. Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв n nn для увеличения критического угла. Если в качестве среды использовать прозрачный эпокскдный компаунд с показателем преломления nк 1,5-1,6, то критический угол пр возрастает до 25-30 .

В этом случае выход излучения из кристалла в окружающую среду в данном случае в компаунд возрастет в 2,5-3 раза. Если прибор предназначен для вывода излучения в воздух, то для сохранения коэффициента вывода излучения конфигурация полимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность раздела компаунд - воздух под углом, меньшим критического для этой границы. Еще более положительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления

n 2-3. 3. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического. Как показано выше, эти потери для границы полупроводник-воздух составляют примерно 30 . Однако, если на поверхность полупроводника нанести прозрачную однородную пленку толщиной t с показателей преломления n1, то, при выполнении двух условий nnnв n12 9 n1t p-

4 2l-1 , 10 где l-положительное целое число -длина волны излучения коэффициент отражения света, падающего внутри полупроводника нормально к поверхности раздела с воздухом, будет равен нулю. Практически, применяя антиотражающие покрытия из различных диэлектрических пленок SiO, SiO2,Si3N4 и др удается увеличить выход излучения на 20-30 . 4. Применение специальной конфигурации плоского кристалла для обеспечения внутренней фокусировки излучения

и увеличения доли генерируемого света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического. Так, применение мезаструктуры в кристалле с низким коэффициентом поглощения генерируемого излучения позволяет повысить эффективность вывода излучения в 2-3 раза. Кванты света, падающие на световыводящую грань под углами пр, выходят из образца за исключением отраженных по формуле Френеля . Кванты света, распространяющиеся в диапазоне углов 1 2, проходят до конусной поверхности

мезаструктуры, отражаются от нее и, попадая на излучающую поверхность под углом пр, также выходят из кристалла. Остальные кванты, испытывая многократное внутреннее отражение, либо поглощаются в кристалле, либо выходят из него в случае падения на одну из поверхностей под углом, меньшим критического. По-видимому, более эффективно применение мезаструктур, полученных специальным травлением, с отражающей поверхностью, наклоненной под углом около 45 к плоскости р-n-перехода.

5. Создание омических контактов, занимающих незначительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле. Контакты малой площади целесообразны при использовании полупроводников с низким коэффициентом поглощения света, генерируемого р-n-переходом. Приконтактные области омических контактов, как правило, поглощают свет. Уменьшение площади омических контактов, в связи с этим, способствует увеличению доли света, претерпевшего

полное внутреннее отражение на границе полупроводник-воздух или полупроводник- диэлектрик поэтому такие контакты часто условно называют отражающими свет . Отраженные внутрь кристалла фотоны будут совершать многократные проходы сквозь него, причем каждый из проходов будет вносить вклад в выводимое излучение за счет падения части фотонов на границу раздела под углом, меньшим критического. Применение отражающих свет контактов позволяет существенно увеличить

вывод излучения из кристалла при использовании структур GaAs Si, GaP Zn, GaP N, GaP N, Zn-0, GaAs1-xPx N на GaP - подложке и др. 6. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения. Если угловое распределение фотонов, выходящих из активной области, имеет сферическую симметрию, тосоздание днффузно-рассеивающей поверхности улучшает условия вывода излучения

для косых лучей. Сферическая симметрия генерируемого излучения внутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощением излучения в активной области. Такие условия осуществляются в диодах из GaP Zn, О, GaP N, GaAs Si, а также в гетероструктурах из Ga1-xAlxAs с тонкой активной областью ka d 1, где ka -усредненный коэффициент поглощения излучения активной областью, d - толщина активной области .

Если самопоглощение излучения в активной области велико, то угловое распределение фотонов, выходящих из активной области, носит лампертовский характер. В этом случае применение диффузно-рассеивающей поверхности не увеличивает В результате создания диффузно-рассеивающей поверхности диодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличение внешнего квантового выхода излучения на 25-40 .

7. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения. Большие возможности получения направленных световых потоков создает эффект оптического ограничения, возникающий в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава. Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятстзует такое распределение показателя преломления, когда он больше в волноводном слое по

сравнению с окружающими слоями. Фотоны, генерируемые в активной области, распространяются вдоль волновода с многократным отражением от границ с ограничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления волновода и ограничивающих слоев около 0,15-0,2. Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционные потери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном

плоскости р-n-перехода. Сужение диаграммы направленности излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системах оптической связи. Основные полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов Арсенид галлия Полупроводниковые светоизлучающие диоды изготавливают в настоящее время на основе бинарных и нтерметаллических соединений типа AIIIBV и многокомпонентных твердых растворов этих соединений.

В данной главе будут кратко рассмотрены основные электрофизические свойства наиболее широко применяемых в производстве ветоизлучающих диодов полупроводниковых соединений - GaAs и GaP. Большое внимание к GaAs в начальный период исследования соединений типа АIIIВV было связано с представлением о том, что На основе GaAs возможно создание высокочастотных и высокотемпературных транзисторов, так как подвижность электронов

в нем значительно выше, а их эффективная масса почти на порядок меньшие, чем в Ge. Однако эти ожидания не оправдались, так как время жизни носителей в GaAs оказалось весьма малым. Первые важные области применения GaAs были связаны с использованием его для производства туннельных диодов. Значительную и все возрастающую роль GaAs играет в производстве фотопреобразователей солнечной энергии

в электрическую. Наиболее массовое применение GaAs нашел в производстве диодных источников спонтанного и когерентного излучений. На основе GaAs созданы высокоэффективные излучающие диоды инфракрасного диапазона, находящие разнообразные применения в оптоэлектронике. Широкое применение в производстве светоизлучающих диодов, знаковых индикаторов, лазеров и ИК диодов находят твердые растворы GaAs с GaP и AlAs.

Основной промышленный метод получения GaAs - метод Чохральского. Значительное распространение находит также горизонтальная направленная кристаллизация по методу Бриджмена. Монокристаллы GaAs по параметрам распределяются на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те, Sn или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn. Содержание посторонних примесей в GaAs n- и р-типов не превышает по массе 1 10-5

Cu 6 10-5 Со 1 10-4 Fe 5 10-6 Mn 5 10-5 Cr 2 10-5 Ni. Фосфид галлия GaP, так же как и GaAs, кристаллизуется в структуре цинковой обманки с ребром элементарной кубической ячейки 5,4506 А. Кратчайшее расстояние между центрами ядер элементов решетки GaP равно 2,36 А, что составляет сумму атомных радиусов Р 1,1 А и Ga 1,26 А . Промышленное получение монокристаллического

GaP осуществляется в две стадии синтез-получение крупных поликристалли-ческих слитков и выращивание монокристаллов по методу Чохральского из расплава, находящегося под слоем флюса. Монокристаллы GaP по параметрам делятся на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те или S или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn, монокристаллы высокоомного GaP легируются хромом или другими примесями с глубокой энергией залегания.

Следует отметить, что в связи с условиями выращивания высокая температура, высокое противодавление Р, наличие флюса, отсутствие стойких контейнерных материалов монокристаллы GaP характеризуются высоким уровнем неконтролируемых фоновых примесей примерно 5 1016-1 1017 см-3 , а также высокой плотностью дислокации более 104 см-2 . Поэтому монокристаллы GaP не обладают пригодной для практики люминесценцией и для получения светоизлучающих

р-n-переходов необходимо выращивать эпитаксиальные слои GaP. Светоизлучающиие диоды Области применения и требования к приборам Светоизлучающий диод состоит из кристалла полупроводника с электронно-дырочным переходом и омическими контактами и элементов конструкции, предназначенных для сбора излучения, увеличения внешней оптической эффективности, улучшения восприятия свечения и формирования необходимой диаграммы направленности излучения,

а также обеспечения электрического контактирования с внешней цепью и удобного монтажа прибора в аппаратуре. Таким образом, светоизлучающий диод - прибор, в котором осуществляется не только генерация света, но и перераспределение его в пространстве. Требования к устройству и характеристикам светоизлучающих диодов определяются областями их применения основные области следующие 1 сигнальная индикация 2 подсветка постоянных надписей, меток на экране, шкалах 3 отображение шкальной информации в бесстрелочных измерительных приборах 5

разнообразные функциональные применения - маркировка фотопленок, контроль быстродействующих ФЭУ и т. п. При рассмотрении применения светоизлучающих диодов в качестве сигнальных индикаторов различают панельную и внутрисхемную индикацию. К светоизлучающим диодам для панельной индикации предъявляются следующие требования а сила света, как правило, должна превышать 1 мкд, причем яркость светоизлучающего диода должна превосходить яркость выключенного диода и яркость фона при максимально допустимой внешней

освещенности б площадь светящейся поверхности должна быть достаточна для уверенного восприятия сигнала при наблюдении с близкого расстояния 0,5-1м она должна быть не менее 1-3 мм2, при наблюдении с большего расстояния-не менее 8-10 мм2 в диаграмма направленности излучения должна быть достаточно широкой угол излучения, как правило, должен превышать 50 г светоизлучающие диоды должны изготавливаться, по крайней мере, трех цветов свечения красного, зеленого и желтого желательно расширение цветности д конструкция

диодов должна иметь высокое отношение диаметра поперечного размера светящейся поверхности к наружному диаметру размеру прибора с целью обеспечения плотного монтажа диодов на панели. Особенность применения светоизлучающих диодов для внутрисхемной индикации заключается в том, что они в этом случае наблюдаются с близкого расстояния около 0,5 м и монтируются, в основном, на печатной плате, включая ее торец. В связи с этим для внутрисхемной индикации могут использоваться диоды с малой площадью

светящейся поверхности. Выводы диодов должны быть удобны для распайки на печатной плате. К светоизлучающим диодам, применяемым для подсветки, предъявляются требования большей силы света-десятки милликандел. При этом допустимо сужение диаграммы направленности излучения до 5-25 . Для отображения цифро-буквенной и графической информации на экранах, собранных из дискретных приборов, могут применяться широкоугольные светоизлучающие диоды, например используемые для панельной индикации.

Для отображения шкальной информации используются миниатюрные светоизлучающие диоды и линейки из них. К этим приборам предъявляются требования широкого угла излучения и возможности бесшовной стыковки в линию. В разнообразных фотоэлектрических устройствах и малоразмерных табло применяют бескорпусные светоизлучающие диоды. К ним предъявляют требования миниатюрности и наличия выводов, пригодных для монтажа методами микротехнологии. Ко всем видам светоизлучающих ДИОДОВ

Предъявляют требования 1 низкие токи питания 5-10 мА И входные напряжения менее 3 В этим обеспечиваются совместимость светоизлучающих диодов с транзисторными интегральными схемами и низкая рассеиваемая мощность последняя необходима для осуществления плотного монтажа приборов 2 высокая надежность, больший срок службы, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям 3 высокая технологичность изготовления и низкая стоимость.

Светоизлучающий кристалл Для изготовления светоизлучающих кристаллов используют эпитаксиальные структуры, рассмотренные в гл. 3. Выбор вида эпитаксиальных структур определяется, с одной стороны, назначением диода, а с другой стороны-основными характеристиками кристаллов на основе рассматриваемых структур. Такие ориентировочные характеристики кристаллов приведены в табл. 4.1 без использования просветляющих покрытий . Zn-0.

Для получения максимальной силы излучения предпочтительны структуры Ga0,7Al0,3As, GaP Zn, О. Следует иметь в виду, что кристаллы на основе структур с прозрачной подложкой, например структур на GaP-подложке, имеют значительное боковое излучение, что позволяет при его сборе и использовании существенно увеличить силу света и силу излучения. В производстве светоизлучающих диодов используются кристаллы весьма малых размеров - по-видимому, одни

из самых малых в электронике. Это вызывается следующими обстоятельствами высокой стоимостью и дефицитностью исходных материалов повышением квантового выхода излучения с увеличением плотности тока для большинства материалов повышением эффективности оптической системы светоизлучающего диода для сбора и преобразования излучения при уменьшении размера кристалла возможностью получить светящееся пятно необходимых размеров за счет различных конструктивных решений по прибору в целом.

Ограничивающие факторы в уменьшении размера кристалла возрастающие трудности сборки, особенно автоматизированной, и деградация оптических характеристик приборов в процессе работы. В связи с изложенным, в настоящее время кристалл светоизлучающих диодов в большинстве случаев имеет размер грани от 0,35 до 0,5 мм. Омические контакты к кристаллам изготавливают методами тонкопленочной технологии. Тонкий слой контактного металла более теплопроводен и электропроводен, чем толстый, вызывает

меньшие механические напряжения в кристалле и позволяет скалывать или вырезать кристалл вместе с контактным металлом. Одновременно контакты в виде плоских пленок позволяют применить высокопроизводительную технологию приварки гибкого вывода и пайки кристаллов на кристаллодержатель с использованием современного микросборочного оборудования. При изготовлении контактов к кристаллам светоизлучающих диодов верхний омический контакт должен быть, с одной стороны, минимальной площади для уменьшения потерь света, с другой стороны, содержать

площадку, согласованную по размерам со сварочным инструментом, а также иметь элементы, обеспечивающие равномерное растекание тока по площади р-n-перехода. Для достижения последней цели применяют также дополнительное поверхностное легирование структуры, например методом диффузии. Равномерное растекание тока по площади р-n-перехода улучшает стабильность диодов в процессе работы и вывод излучения из кристалла. Нижний контакт может быть сплошным, если подложка непрозрачна

для генерируемого излучения, и может быть отражающим свет для кристаллов с прозрачной подложкой. Во втором случае площадь омических контактов должна быть, с одной стороны, минимальной для обеспечения максимальной доли отраженного света, а с другой стороны, достаточной для обеспечения необходимого теплоотвода от кристалла и необходимой величины прямого напряжения. Отражение света отражающим нижним контактом основано на эффекте полного внутреннего отражения света,

падающего на границу раздела полупроводник - диэлектрик под углом, большим критического. Отраженный от нижней грани свет повторно падает на верхнюю или боковые грани кристалла и увеличивает долю выводимого из кристалла света. Этот процесс может повторяться несколько раз. В последнее время изготавливают также кристаллы с мезаструктурой на основе высокоэффективных жидкостно-эпитаксиальнйх структур со сплошным р-n-переходом.

Достоинства таких кристаллов следующие 1 для структур с сверхлинейной зависимостью квантового выхода излучения от плотности тока например, GaP N применение мезаструктур позволяет увеличить плотность тока и, тем самым, эффективность приборов 2 уменьшение размеров светящейся области кристалла повышает эффективность оптической системы диода и, тем самым, эффективность прибора в целом 3 увеличение плотности тока способствует повышению эффективности диодов при малых токах питания, что позволяет применять их в устройствах с батарейным

питанием 4 расширяется диапазон токов, в котором наблюдается линейная зависимость мощности излучения от тока, что позволяет использовать светоизлучающие диоды в аналоговых оптоэлектронных устройствах о наличие травленой поверхности в месте выхода р-n-перехода наружу и отсутствие разрушенного резкой слоя повышает стабильность и надежность приборов в эксплуатации 6 снижается трудоемкость монтажа кристаллов на держатель благодаря применению кристаллов приемлемых размеров.

Кристаллы с мезаструктурой на основе GaP N из-за увеличения плотности тока в 2-3 раза позволили получить в 1,3-1,5 раза большую силу света, чем дают кристаллы плоской конфигурации с площадью р-n-перехода 0,25 мм2. Увеличение силы света обусловлено характерной для GaP N зависимостью Jn, где J - плотность тока nl,5. Получают некоторое развитие также кристаллы с планарной структурой на основе жидкостно-эпитаксиальных

структур со сплошным р-n-переходом, получаемые разделительной диффузией цинка например, на основе Ga1-xAlxAs гетероструктур р -р-n-типа . Достоинства приборов на основе таких планарных кристаллов - высокая эффективность, а также стабильность и надежность в процессе эксплуатации. По-видимому, применение жидкостно-эпитаксиальных кристаллов с мезаструктурой или планарным р-n-переходом в дальнейшем будет расширяться для создания приборов с повышенной эффективностью и надежностью.

Следует отметить, что из структур с прозрачной подложкой например, из GaP структур могут быть изготовлены также кристаллы полусферической конфигурации. Б этом случае внешний квантовый выход излучения увеличивается за счет уменьшения потерь на полное внутреннее отражение света. В одной из работ получены диоды с зеленым свечением с вн 0,41 на сравнительных диодах с плоским кристаллом вн 0,17 . Спектр излучения полусферических диодов более зеленый.

Это объясняется тем, что в полусфер ических кристаллах большая часть света выводится после первого падения излучения на поверхность, благодаря чему уменьшается поглощение света в кристалле, особенно в коротковолновой части спектра. Однако полусферические кристаллы из GaP не нашли практического применения в связи с увеличением стоимости прибора. Устройство светоизлучающих диодов Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции

могут быть разделены на следующие группы 1 в металло-стеклянном корпусе 2 в конструкции с полимерной герметизацией на основе металло-стеклянной ножки или рамочного держателя 3 бескорпусные диоды. Диоды в металло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностью параметров, механической и климатической устойчивостью. Диоды с полимерной герметизацией по некоторым характеристикам имеют преимущества перед диодами в металло-стеклянной конструкции а полимерная герметизация в большей степени позволяет

осуществить перераспределение света в пространстве как в направлении сужения диаграммы направленности излучения с увеличением силы света , так и в направлении ее расширения б полимерная герметизация увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличения угла полного внутреннего отражения на границе кристалл - полимер, в герметизированные полимерами приборы обладают большей стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам, чем приборы в металло-стеклянных корпусах г полимерная герметизация позволяет получить при

необходимости малое отношение объема габарита прибора к объему габариту кристалла д полимерная герметизация благодаря своей технологичности позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления приборов и их стоимость. Однако диоды с полимерной герметизацией в настоящее время уступают диодам в металло-стеклянном корпусе в отношении устойчивости к длительному воздействию влажности и резкой смене температур. Бескорпусные диоды - самые миниатюрные светоизлучающие диоды, используемые в герметизируемой аппаратуре.

Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило, посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками. Отражающие стенки охватывают боковое излучение в угле примерно 45-50 . Они в значительной степени сужают диаграмму направленности излучения и увеличивают силу света в осевом направлении. Помещение в посадочное место кристалла с непрозрачной подложкой например, из Ga0,7Al0,3As приводит к несколько меньшему эффекту сужению диаграммы направленности с 120 до 75 и увеличению

осевой силы света примерно в 1,5 раза. Одновременно с увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излучения применение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводит к улучшению восприятия излучения за счет увеличения светящейся площади и повышения контрастности. Кристалл и светящееся кольцо отражателя разделены более темным кольцом. Наличие на светящейся поверхности ярких и темных участков увеличивает ее контрастность и способствует

лучшему визуальному восприятию. Значительное перераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, которая формирует необходимую диаграмму направленности излучения. Форму полимерной линзы выбирают, как правило такой, что излучающий кристалл располагается между фокусом преломляющей поверхности, образованиой полусферической линзой, и центром этой линзы. Фокусное расстояние определяется по формуле f Rnl n-1 ,

1 где R - радиус полусферической полимерной линзы n - показатель преломления компаунда. Расстояние от центра кристалла до центра сферической поверхности определяется в зависимости от заданной диаграммы направленности излучения. Рассмотрим, каким образом осуществить оптимизацию размеров полимерной линзы для светоизлучающих диодов различного назначения. Угол вывода излучения по отношению к оси прибора равен

Q -r I 2 С учетом закона Снелла sinr nsint 3 получаем выражение для зависимости угла Q от отношения S R Q -arcsin n S R-1 sin arcsin S R-1 sin . 4 Для диодов с узконаправведениивленным излучением с углом излучения 5-15 наиболее целесообразно использовать величину S R 1,9- 2,0. Конкретные значения S R обычно подбирают с учетом действия отражателя света и рассеивающего эффекта, возникающего при в компаунд диспергирующего наполнителя.

В качестве материала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинстве случаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной диановой смолы. Компаунд отличается весьма высоким светопропусканием. Хранение образцов компаунда при температуре 70-80 C практически не приводит к ухудшению светопропускания.

Снижение светопропускания начинает наблюдаться при длительном хранении при температуре 100 C и выше, причем наибольшее поглощение света наблюдается в коротковолновой части видимого спектра. Введение красителя например, красного вызывает резкое увеличение поглощения коротковолнового света, но практически не влияет на поглощение света длинноволновой части видимого диапазона. Введение красителей способствует повышению контрастности свечения за счет поглощения рассеянного света

окружающего пространства. Физико-механические характеристики компаунда позволяют получать диоды в полимерной герметизации, устойчивые к жестким климатическим и механическим воздействиям. Для изготовления сигнальных светоизлучающих дидов, как правило, применяется компаунд, диспергированный светорассеивающим наполнителем. Наполнитель позволяет увеличить размер светящегося пятна и расширить диаграмму направленности излучения увеличить угол излучения .

Одновременно он резко понижает интенсивность отраженного диодом внешнего света и, тем самым, снижает эффект отсвечивания для невключенных диодов. Основное требование, которому должен отвечать светорассеивающий компаунд максимальное рассеяние света при минимальном поглощении. В основе явления рассеяния света лежит нарушение оптической однородности среды, которое обуславливает различие в скорости распространения света в ее разных частях.

Нарушение оптической однородности среды может быть вызвано какими-либо включениями, показатель преломления которых отличается от показателя преломления среды, в результате чего возникают эффекты преломления и рассеяния света. За счет этих эффектов свет отклоняется от своего первоначального направления. Оптимальным светорассеивающим наполнителем следует считать оптически прозрачный аморфный материал с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления основного вещества.

Этому условию хорошо отвечает, например, стекло кварцевое, оптическое, с показателем преломления n1,46, измельченное до частиц размером не более 15 мкм. Диоды с полимерной герметизацией, в основном, изготавливают на многокадровых рамочных держателях. В некоторых случаях для получения высокоэффективных приборов используются рамочные держатели с встроенным отражателем света. Преимущества диодов, изготавливаемых на основе многокадровых держателей, заключаются в следующем 1 технологичность

производств а, Основанная на изготовлении держателя методом штамповки, использовании типовых высокопроизводительных установок для разводки вывода, применении групповой технологии полимерной герметизации например, свободная заливка в многоместной форме , а также автоматизированном измерении фотометрических и электрических параметров приборов 2 более высокая устойчивость к механическим и климатическим воздействиям по сравнению с конструкцией в полимерной герметизаций на основе металлостеклянной ножки повышенная устойчивость обусловлена

разветвленным профилем поверхности сцепления эпоксидного компаунда с держателем. Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения Светоизлучающие диоды - одни из немногих источников света, которые позволяют реализовать управляемое изменение цвета свечения. В настоящее время рассмотрено несколько путей создания светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения двухпереходный однокристальный

GaP диод однопереходный двухполосный однокристальный GaP диод двухкристальный биполярный диод с параллельным соединением кристаллов двухкристальный диод с независимым включением кристаллов двухпереходный однокристальный диод. один из р-n-переходов которого излучает красный свет, а другой-инфракрасное излучение, преобразуемое с помощью антистоксового люминофора в зеленое свечение. Анализ оптических и электрических характеристик, технологичности и применения вышеуказанных

видов светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший интерес в настоящее время представляет двухпереходный однокристальный GaP диод. Основные преимущества этого вида светоизлучающих диодов следующие 1 позволяет получить более широкий, чем у однопереходного двухполосного GaP диода, диапазон изменения цвета свечения 2 рабочий ток во всем спектральном диапазоне не более 20 мА в отличие от однопереходного

GaP диода, у которого диапазон изменения тока существенно шире 3 сила света примерно одинакова во всем спектральном диапазоне в отличие от однопереходного GaP диода, у которого сила света существенно различна для разных цветов свечения 4 обеспечивает эффективное смешивание излучений двух полос, благодаря чему желтый и оранжевый цвета свечения имеют значительно лучшее качество, чем у двухкристальных диодов последние фактически являются только двухцветными диодами 5

позволяет отображать до пяти состояний объекта с помощью цветов красный -оранжевый -желтый -зеленый - выключено число отображаемых состояний может быть по крайней мере удвоено за счет использования мигающего свечения 6 позволяет осуществить аналоговое отображение информации путем непрерывного изменения цвета свечения от красного до зеленого через все оттенки 7 имеет симметричную диаграмму направленности излучения в отличие от двухкристального диода, у которого кристаллы смещены относительно центра прибора, благодаря

чему оси диаграмм направленности излучения расположены под углом к оптической оси прибора 8 двухпереходный диод значительно эффективнее светоизлучающего диода, использующего преобразование инфракрасного излучения в видимое, так как Эффективность процесса антистоксового преобразования весьма низка. Однако двухпереходный однокристальный GaP диод имеет и недостатки, а именно-более сложную технологию эпитаксиального выращивания структуры и изготовления кристаллов с тремя контактными областями.

Максимальная Плотность тока через p-n-переход c зеленым свечением составляет 5,5 А см2, через р-n-переход с красным свечением-9,0 А см2. Омический контакт к верхней p-области занимает примерно 20 ее площади, а контакт к нижней р-области- примерно 40 площади нижней грани. Омический контакт к базовой n-области выполнен сплошным и непрозрачным, как для улучшения цветовой характеристики прибора, так и для повышения надежности получения низкоомного

омического контакта к n-GаР. Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке ватт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление стимулированное излучение . Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного

светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА см2 . Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи. В ряде случаев в качестве управляемых источников света применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является

когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие. При когерентном излучении все частицы излучают согласованно вынужденное стимулированное излучение и синфазно с колебаниями, установившимися в резонаторе. Для обычных светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной

волны. Стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер площадь поперечного сечения 0,5-2 мкм2, протяженность зоны 300-500 мкм и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления, чем

у окружающей ее среды. В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями полупрозрачными зеркалами, получающимися при сколе кристалла . Он выполняет роль резонатора. При токе инжекции, меньшем порогового значения пор наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном све-тодиоде. При увеличении тока до пор пор 50-150 мА и выше возникает стимулированное излучение и наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности, например с 5 мкВт мА, характерной

для спонтанного излучения, до 200 мкВт мА. Благодаря тому что фотоны, появившиеся в процессе рекомбинаций, многократно проходят через световод, отражаясь от зеркальных граней, прежде чем им удается выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало, наблюдается монохроматичность и когерентность излучения. Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму. Угол расходимости светового пучка около 20-50 . Полупроводниковые лазеры широко применяются при создании

световодных линий связи большой протяженности и в измерительных устройствах различного назначения. Конструктивно диод выполнен в полимерной герметизации на основе металлостеклянной ножки, содержащей отражающую свет коническую поверхность, что позволяет использовать боковое излучение и увеличить в 2-3 раза силу света. Наличие заглубленного посадочного места облегчает центровку кристалла относительно оптической оси прибора. Высота полимерной линзы определена исходя из необходимости обеспечения заданной

диаграммы направленности излучения угол излучения 35 . Отношение высоты полимерной линзы S к радиусу сферы R выбрано равным 1,7. Зависимость силы света от тока для зеленого цвета свечения сверхлинейна, для красного-сублинейна. Зависимость силы света от температуры для обоих р-n-переходов примерно одинакова. Температурный коэффициент составляет минус 5-8 10-3

К-1. Диод позволяет управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов оранжевого, желтого и др. В последнее время появились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности, содержащих оба р-n-перехода с одной стороны подложки. Структура диода выращивается жидкостной эпитаксией на подложке n-GаР, ориентированной в плоскости 111 В, двумя раздельными процессами.

Устройство структуры следующее слой n1 примыкающий к подложке толщиной 40 мкм, легированный Те до n 8 1017см-3 слой р1 толщиной 50 мкм, легированный Zn до p2 1017см-3 и кислородом слой р2 толщиной 40 мкм, легированный Zn до p6 1017см-3 и азотом слой n2 толщиной 25 мкм, легированный S до nl 1017 см-3 азотом. Первый р-n-переход n1-p1 излучает красный свет, второй n2-р2 - зеленый.

В отличие от диода типа АЛС331А, описанного выше, данный диод имеет общий анод. Верхний р-n-переход часто изготавливается планарным благодаря применению разделительной диффузии цинка. Для восстановления эффективности р-n-перехода с красным свечением, снизившейся в результате проведения второй эпитаксии по выращиванию р-n-перехода с зеленым свечением, применяется-длительная термообработка структуры 400-600 С на воздухе в течение 20-70 ч Полученные диоды в полимерной герметизации

Характеризуются высокими значениями внешнего квантового выхода излучения для красного света -4 при токе 3 мА плотность тока 2 А см2 , для зеленого света- 0,4 при токе 20 мА 12,5 А см2 . Такие значения примерно соответствуют эффективности одноцветных светоизлучающих диодов. Электролюминесцентные лампы Рассмотрим схемы некоторых наиболее широко используемых конструкций ламп на основе светодиодов. В некоторых конструкциях использованы обычные транзисторные и диодные кристаллодержатели.

В этом случае светодиод может быть либо герметически закрыт крышкой с прозрачным стеклянным окном, либо на металлических выводах, одновременно образующих основу кристаллодержателя, закреплены и светодиод, и последовательно с ним включенный кремниевый резистор. Пластмассовая линза, закрывающая корпус, формирует угловое распределение излучения и определяет угол видности прибора. Применяют и конструкции, подходящие для прозрачных полупроводников типа

GaP, в которых свет излучается через все пять граней светодиода. Встроенные рефлекторы и пластмассовые линзы обеспечивают желаемое угловое распределение излучения. Лампа обычно состоит из следующих частей излучающего свет полупроводникового кристалла и пластмассовой линзы или покрытия, обычно окрашенного и служащего оптическим фильтром. Дополнительными необязательными компонентами являются рефлектор, диффузор, равномерно распределяющий

свет по всему пластмассовому покрытию, и встроенный в корпус резистор, включенный последовательно с диодом. Основная задача покрытия состоит в создании среды с высоким показателем преломления и в соответствующем увеличении коэффициента вывода света из полупроводникового кристалла. В идеальном случае показатель преломления покрытия должен быть близок к показателю преломления полупроводника n 3,3 . Практически наилучшее приближение к этому условию обеспечивает ряд легкоплавких арсенид-халькогснид-

галогенндных стекол с показателем преломления 2,4-2,9. Однако эти стекла окрашены, так что их можно использовать только с красными или инфракрасными светодиодами. Наибольшее возможное значение показателя преломления для прозрачного стекла составляет 2,3-2,4. Использование стекол накладывает ряд ограничений на оптические, тепловые и механические характеристики приборов, поэтому в большинстве электролюминесцентных ламп использованы прозрачные пластмассы с показателем

преломления 1,5-1,6. Индикаторы состояния Ламповые индикаторы имеют широкую область применения. В некоторых случаях они указывают на наличие рабочих условий, например на включение питания в различных приборах или на занятость линии в клавишном телефоне. В других случаях они служат предупреждающими сигналами, например в различных указателях на приборной панели современного автомобиля. Во всех перечисленных случаях необходимо, чтобы наблюдатель сразу замечал

момент включения лампы и чтобы включенное и выключенное состояния четко различались. Выполнение первого требования обычно обеспечивается соответствующим оформлением индикатора. а выполнение второго требования-конструкцией самой лампы. Обычно требуется, чтобы свет лампы был приятен для глаз, т. е. чтобы был обеспечен световой комфорт, Точные условия светового комфорта указать трудно они определяются специальной системой тестов. Для достижения светового комфорта необходима оптимальная комбинация зрительного

восприятия, размеров, яркости и контраста. Обычно размеры полупроводникового кристалла выбирают как можно малыми при заданном световом выходе. Типичные габариты кристалла колеблются от 250 X 250 до 500 X 500 мкм. Видимый размер лампы определяется диаграммой распределения света рефлектором или рассеиванием света покрытием. Если необходимость в широком угле наблюдения отсутствует, то видимое изображение лампы можно увеличить с помощью пластмассовых линз.

Линейное увеличение в зависимости от угла наблюдения дается формулой Увеличение 1 1-cos 1 2. 5 Для многих применений достаточно угла наблюдения 60-90 , что позволяет использовать линейное увеличение в 1,8-2,7 раза и соответственно уменьшить потребляемую мощность в 2-4 раза. Контраст изображения обычно достигается добавлением красителя в пластмассовое покрытие или с помощью внешнего светофильтра. Идеальный светофильтр поглощает свет, падающий на него снаружи, так что выключенная

лампа кажется темнее фона. Кроме отсутствия блеска что будет рассмотрено при обсуждении цифровых индикаторов , основное требование, предъявляемое к светофильтру, состоит в том, чтобы пропускание им окружающего света за два прохождения через фильтр было не больше, чем отражение этого света от поверхности, окружающей индикатор. Вместе с тем основная функция светофильтра состоит в усилении светового воздействия лампы в включенном состоянии. Анализ требований к идеальному светофильтру для красных и желто-зеленых светодиодов

из GaP можно провести следующим образом. Рассмотрим конструкцию лампы, в которой большая часть излучаемого света отражается от элементов, окружающих светодиод. Такой рефлектор, имеющий коэффициент отражения R , отражает также и окружающий свет, попадающий на лампу. Обозначим через Ie , fi , спектральною силу света лампы на длине волны К в направлении , fi тогда световой поток vd, излучаемый в направлении наблюдателя, равен vd

Iе V R d , 6 если предположить, что свет диода а также и окружающий свет отражается от корпуса прибора только один раз. При наличии светофильтра со спектром пропускания Т К выходящий из лампы световой поток равен vd Iе V R T d 7 Коэффициент пропускания светофильтра для излучения со спектральной силой Iе определяется выражением T vd vd 8 а величина 1 -

T представляет собой соответственно потери излучения, связанные с фильтром. Для идеального фильтра эти потери сведены до минимума. Аналогичным образом можно определить величину Та, которая характеризует вызванное светофильтром ослабление окружающего излучения, отраженного от лампы учитывая, что окружающий свет проходит через фильтр дважды . Наибольший интерес представляет величина яркостного контраста

С между включенным излучение светодиода и окружающий свет и выключенным только окружающий свет состояниями С vd va Ф va, 9 где va - световой поток, идущий от лампы в выключенном состоянии индекс а означает окружающий свет, а два штриха соответствуют двум прохождениям света через фильтр . Показатель качества фильтра F можно определить как произведение воспринимаемого светового потока на контраст F C vd. 10 Если предположить, что отражение от корпуса лампы постоянно во всем видимом спектре

и что vd va, то уравнение 10 можно записать в виде F T2 T a 2vd va Первый сомножитель в этом равенстве является мерой спектральной избирательности фильтра и называется индексом цветовой корреляции. Для нейтрального светофильтра, для которого Т const эта величина равна 1. Таким образом, индекс цветовой корреляции определяется не абсолютным коэффициентом пропускания светофильтра, а спектральной согласованностью фильтра с излучением светодиода и окружающим

светом. Величины Т и Т a можно легко рассчитать из данных по спектральному коэффициенту пропускания светофильтра. Если имеются образцы светофильтров, то проще всего измерить эти величины непосредственно с помощью фотоприемника, спектральная чувствительность которого совпадает с кривой чувствительности глаза. В этом случае величина Т равна просто отношению токов фотоприемника со светофильтром между диодом и приемником и без светофильтра. Аналогично величина

Т a равна отношению тока фотоприеминка, когда окружающий cвет попадает на него, пройдя через двойной слой фильтра, к току при непосредственном падении окружающего света на фотоприемник. Кроме описанной спектральной избирательности, большое значение имеет общий нейтральный коэффициент ослабления фильтра. Он должен быть подобран так, чтобы обеспечить желаемый контраст при минимальном токе через светодиод. Например, при очень ярком освещении может понадобиться очень плотный фильтр для

уменьшения T a даже несмотря на уменьшение пропускания излучения светодиода и соответственно на необходимость повышения тока через диод. Оптимальный фильтр всегда представляет собой компромисс между яркостью индикатора и ослаблением окружающего света. Для излучения, приходящегося на край видимой части спектра красные светодиоды из GaAs1-xРx или GaP Zn, I , наиболее эффективен красный светофильтр с резким краем полосы пропускания. С другой стороны, для излучения в середине видимой части спектра более эффективен светофильтр

с узкой полосой пропускания. Кроме выполнения функций светофильтра, пластмассовое покрытие может также формировать различные диаграммы направленностн излучения. Ламбертовскую диаграмму направленности, которую имеет открытый свстодиод из прямозонного полунроводника, можно существенно изменить с помощью прозрачных пластмассовых линз при этом увеличение силы спета в направлении оси линзы за счет уменьшения угла наблюдения равно приблизительно квадрату коэффициента

линейного увеличения. Включения частичек материала с высоким показателем преломления, например Si02 или TiO2 приводят к равномерному распределению света по пластмассо-вому покрытию, что увеличивает угол наблюдения и видимые размеры светодиода, но уменьшает аксиальную силу света. Индикаторы на светодиодах Наиболее распространенные форматы буквенно-цифровых индикаторов на основе светодиодов показаны на рис. Семиэлемептные индикаторы или матрицы из 3

X 5 точек обычно применяются для воспроизведения цифр от 0 до 9, хотя с их помощью можно воспроизводить некоторые прописные A, В, С, D, E,F, G, H, I, J, L, О, S, U и строчные b, с, d, h, i,l, n, о, r, и буквы. Для цифровых индикаторов наиболее широко используется формат с семью полосками, а для буквенно-цифровых индикаторов удобнее всего матрицы из 5 X 7 точек. Размер индикатора зависит от расстояния до наблюдателя.

Высота символов обычно выбирается из расчета угла наблюдения 10-24 , причем угол наблюдения в минутах определяется выражением Угол наблюдения 120 arctg h 2d , 11 где h-высота символа, a d- расстояние от глаза до индикатора. Для электролюминесцентных индикаторов наилучшее зрительное восприятие обычно достигается уменьшением размера символов до минимума и соответственным увеличением яркости.

Наиболее распространенными областями применения малогабаритных индикаторов являются ручные приборы и карманные калькуляторы. Типичная высота символов мнимое изображение индикатора составляет 2,5-3,5 мм, что соответствует углу наблюдения 9,5-13,4 для расстояния, равного длине вытянутой руки 90 см . Действительный размер интегральных полупроводниковых индикаторов составляет 1,125-2,5 мм, что соответствует линейному увеличению в 1,4-2,2 раза. Следующее наиболее употребительное значение для высоты символов

равно 8-12 мм такие индикаторы применяются на приборных панелях или на пультах управления. При расстоянии 3 м это соответствует углу наблюдения 9,2-13,8 . Типичное отношение ширины символа к его высоте для индикаторов обоих типов составляет 0,6-0,8. Цифровые индикаторы различаются в основном формой полосок прямые или скругленные , видом освещения полосок равномерное или точечное и углом наклона цифр 90 или 80 .

При сравнении различных цифровых индикаторов размером 7-15 мм был сделан вывод, что прямые линии распознаются значительно лучше, чем скругленные, что четкость точечного изображения выше, чем изображения, образованного штрихами, и что прямые и наклонные цифры воспринимаются одинаково. Было замечено также, что четкость контура является очень важным параметром, от которого зависит разборчивость цифр. Цифры, образованные относительно широкими штрихами, имели размытые контуры, и поэтому при их чтении

возникало много ошибок. Рекомендуемое отношение ширины к высоте для белых штрихов на черном фоне составляет 1 10 вместе с тем при ярком освещении или для ярких индикаторов например, малогабаритных цифровых светодиодных матриц это отношение можно уменьшить до 1 20. С целью снижения ошибок в распознавании также интенсивно исследовались буквенно-цифровые индикаторы в виде матриц с 5 X 7 элементами. Оказалось, что некоторые ошибки встречаются намного чаще других, и это нужно учитывать

при разработках новых индикаторов. Наиболее часто неправильно воспринимаются Q читают как 0 , 5 читают как S , V читают как Y , Z читают как 2 и I читают как Г . В другой работе была проведена оценка числа ошибок для 3-миллиметровой матрицы из 5 X 7 красных светодиодов из GaAsP при угле наблюдения 14 . Подробные исследования с привлечением 371 наблюдателя в возрасте от 9 до 78 лет позволили сделать ценные

выводы относительно конструирования индикаторов на основе светодиодов. Эти исследования показали, что число ошибок не постоянно для разных символов одни дают намного больше, а другие намного меньше ошибок, чем в среднем. Выяснилось, что при использовании начертаний, отличных от использованных в упомянутой работе, наибольшее количество ошибок падает на Q читают как О , А читают как Н и S читают как 5 .

Эти ошибки необратимые, т. е. О не читают как Q и т. д. Было показано, что суммарное число ошибок для всех символов монотонно возрастало при увеличении освещенности фона. Это означает, что распознавание любых символов затрудняется при снижении яркостного контраста. Число ошибок при максимальной освещенности 8000 лк составляло 20 для наблюдателей в возрасте до 35 лет, а затем резко начинало расти, достигая 60 для наблюдателей в возрасте 50 лет.

Частично это вызвано увеличением расстояния наилучшего зрения с возрастом от 35 до 55 лет примерно в 5 раз с 0,2 до 1,0 м для близоруких число ошибок было меньше среднего. Эта возрастающая трудность фокусировки глазом излучения наиболее заметна для красной части спектра, в которой проводился эксперимент. В красной части спектра возрастает роль хроматической аберрации и дифракции-двух явлений, определяющих размытие изображения на сетчатке глаза.

Отсюда можно сделать вывод, что для индикаторов лучше подходит желтый или зеленый цвет, и можно ожидать, что высококачественные малогабаритные индикаторы со временем будут изготавливаться именно таких цветов вместо более дешевых красных индикаторов, используемых в настоящее время . Технология изготовления маленьких 3 мм и больших 9 мм полосковых индикаторов различна, что диктуется экономическими соображениями. Для малогабаритных индикаторов более пригодны монолитные конструкции,

поскольку при уменьшении размеров резко возрастает стоимость монтажа отдельных элементов. В больших же семиполосковых индикаторах ограничивающим фактором является стоимость материала поэтому в таких индикаторах свет семи маленьких светодиодов распределяется по необходимой поверхности с помощью дешевых пластмассовых рефлекторов. Например, в 9-миллиметровом индикаторе площадь, занимаемая полупроводником, составляет 5 площади всей освещаемой поверхности.

Рефлекторы можно сконструировать так, чтобы полоски освещались равномерно или чтобы в отдельных частях полосок яркость была выше при этом цифра будет казаться состоящей из светящихся точек . Изображение в маленьких или больших матрицах с 5 X 7 элементами аналогичным образом формируется с помощью 35 отдельных светодиодов. Необходимый контраст изображения в большинстве индикаторов достигается с помощью цветных светофильтров. С точки зрения оптических характеристик конструкция светофильтров определяется

исходя из соображений, изложенных в разд. 7.1, где было рассмотрено сражение света от элементов конструкции светодиода с последующим прохождением через светофильтр, В условиях сильного освещения также важно уменьшать отражение внешнего света от передней поверхности светофильтра, т.е. снижать его блеск. Зеркальное отражение можно уменьшить, делая поверхность светофильтра матовой. При нормальном падении коэффициент зеркального отражения от матовой поверхности

Rs равен Rs R0ехр 4 2 2 , 12 где r0 - коэффициент отражения от гладкой поверхности, а - среднеквадратичное отклонение матовой поверхности от среднего уровня гладкой поверхности. Список использованной литературы 1. А. Берг, П. Дин. Светодиоды. Ленинград, 1979. 2. Коган Л.М. Дохман С.А. Технико-экономические вопросы применения светодиодов в качестве индикации и подсветки в системе

отображения информации Светотехника, 1977. 3. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды, М.1983. 4. Воробьев В.Л Гришин В.Н. Двухпереходные GaP-светодиоды с управляемым цветом свечения. -Электронная техника. 1977 г. 5. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов.М. Советское радио 1969. 6. Амосов В.И. Изергин А.П.

Диодные источники красного излучения на GaP, полученном методом Чахральского. 1972.