7.2.3. Випромінювальні діоди

Випромінювальні діоди – це напівпровідникові прилади з одним або декількома електричними переходами, які безпосередньо перетворюють електричну енергію в енергію некогерентних електромагнітних коливань оптичного діапазону.

Терміном «випромінювальні діоди» охоплено два класи джерел випромінювання: - діоди, що працюють в діапазоні видимої частини спектра (світодіоди);- діоди, що працюють в інфрачервоному діапазоні оптичного випромінювання (інфрачервоні випромінювальні діоди). Структури, фізичні процеси та принципи дії цих діодів не відрізняються.

Випромінювальний діод – основний і найуніверсальніший випромінювач некогерентної оптоелектроніки. Це зумовлено: високим значенням ККД перетворення електричної енергії в оптичну; відносно вузьким спектром випромінювання (квазімонохроматичністю) для одного типу діодів, з одного боку, і перекриттям майже всього оптичного діапазону випромінювання діодами різних типів – з іншого; високою для некогерентного випромінювача направленістю випромінювання; малим значенням прямого спаду напруги, що забезпечує електричну сумісність з інтегральними схемами; високою швидкодією; малими габаритами; відбувається інжекційна електролюмінесценція, тобто генерація оптичного випромінювання в р-п‑переході. Вона об’єднує два процеси: інжекцію носіїв і власну електролюмінесценцію. За допомогою інжекції забезпечується створення нерівноважних носіїв заряду, для чого р-п‑перехід діода зміщується джерелом напруги у прямому напрямі. У такому режимі електрони з п-області напівпровідника інжектують у р‑область, де вони є неосновними носіями заряду, а дірки – в зустрічному напрямі. Далі відбувається рекомбінація зайвих неосновних носіїв заряду з інтегральними схемами; високою швидкодією; малими габаритами, технологічною сумісністю з мікроелектронними пристроями, високою надійністю та довговічністю.

Фізичною основою роботи випромінювальних напівпровідникових діодів є інжекційна електролюмінесценція. Для збудження електронів, їх подальшої рекомбінації і випромінювання фотонів у діапазоні видимого випромінювання (0,38…0,78 мкм) необхідна енергія ΔW = 1,5…3 еВ, яку визначають з рівняння (7.1). Це свідчить про необхідність використання у світлодіодах напівпровідників з такою шириною забороненої зони. Ширина забороненої зони германію становить 0,72 еВ, а кремнію – 1,12 еВ, що виключає можливість їх використання у світлодіодах. Для створення світлодіодів використовують фосфід галію (GaP), арсенід галію (GaAs), нітрид галію (GaN), карбід кремнію (SiC), а також деякі сполуки галію, амонію, арсену (GaAlFs) або галію, арсену і фосфору (GaAsP) та ін. Ці матеріали дозволяють значно зменшити інерційність і збільшити швидкодію світлодіодів. Дифузія в напівпровідники деяких домішок дозволяє одержати світіння різного кольору.

У світлодіодах відбувається інжекційна електролюмінесценція, тобто генерація оптичного випромінювання в р-п-переході. Вона об’єднує два процеси: інжекцію носіїв і власну електролюмінесценцію. За допомогою інжекції забезпечується створення нерівноважних носіїв заряду, для чого р-п-перехід діода зміщується джерелом напруги у прямому напрямі. У такому режимі електрони з п-області напівпровідника інжектують у р-область, де вони є неосновними носіями заряду, а дірки – в зустрічному напрямі. Далі відбувається рекомбінація зайвих неосновних носіїв заряду з електричними зарядами протилежного знака. Зазвичай випромінювальною є область лише з одного боку р-п‑переходу, для чого п-область легують сильніше, ніж акцепторну р-область. Таким чином, у несиметричній структурі інжекція є односторонньою – з п-емітера в р-базу – і випромінює базова область. Структуру та схему вмикання світлодіода показано на рис. 7.3, а конструкцію – на рис. 7.4.

Слід зауважити, що не всі акти рекомбінації супроводжуються випромінюваннями фотонів.

Значна частина таких процесів може закінчуватися виділенням енергії у вигляді елементарних квантів теплових коливань – фотонів. Такі переходи електронів між енергетичними рівнями називають невипромінювальними. Відношення числа фотонів до загального числа рекомбінацій визначає внутрішній квантовий вихід. У напівпровідникових випромінювачах з арсеніду галію цей параметр досягає значень, близких до 100 %. Внутрішній квантовий вихід інших напівпровідникових матеріалів становить іноді лише одиниці відсотків, але і за таких значень випромінювання стає достатнім для практичноговикористання. Навіть, якщо внутрішній квантовий вихід високий, зовнішній кван­товий вихід напівпровідникових випромінювачів залишається значно меншим через поглинання та внутрішнє відбиття фотонів.

Рис. 7.3. Структура та схема вмикання світлодіода

Рис. 7.4. Конструкція світлодіода: 1 – лінза; 2 – коваровий балон; 3 – напівпровідникова пластина; 4 – ніжка; 5 – виводи

Для поліпшення цього параметра застосовують різні конструктивні рішення (півсферич­ну структуру, плоску структуру з півсферичним покриттям тощо). Технологія виготовлення р-п‑переходів подібна до стандартної мікроелектронної технології.

Основні характеристики світлодіода – це ВАХ I_F = f(U_F) і яскравісна характеристика B = f(I_F). Основними параметрами світлодіода є: довжина хвилі випромінювання λ (визначає колір випромінювання і залежить від ширини забороненої зони напівпровідника), сила світла I, яскравість і кут випромінювання. У довідниках сила світла наводиться для конкретного значення прямого струму і складає зазвичай десяті частки або одиниці мілікандел. Яскравість визначається відношенням сили світла до площі, яка випромінює світло, і для світлодіодів становить десятки-сотні кандел на квадратний сантиметр.

При використанні світлодіодів важливими параметрами є: постійна пряма напруга (2...3 В), максимально допустимий постійний прямий струм (десят­ки міліамперів), максимально допустима постійна зворотна напруга (одиниці вольтів), діапазон температур навколишнього середовища, який забезпечує нормальне функціонування світлодіода (наприклад, –60…+70 єС).

Вольт-амперна характеристика таких діодів аналогічна характеристиці діодів універсального призначення. Світлодіод умикається в прямому напрямі, тому має малий опір, а відтак керується генератором струму. Залежність яскравості визначається зміною струму. Бажано мати пряму пропорційну залежність яскравості від струму р-п‑переходу. Аналогом яскравісної характеристики для інфрачервоних випромінювальних діодів є залежність потужності випромінювання від струму: P = f(I_F).

Коефіцієнт корисної дії світлодіода визначають відношенням потужності випромінювання до електричної потужності, яка підводиться (дорів­нює приблизно 0,1...1 %).

Різновидом світлодіодів є кольоровий сигнальний індикатор з кольором світіння, що плавно змінюється. На основі світлодіодів створено різні аналогові шкали, знакові та сегментні індикатори. Конструкцію однорозрядного знакового індикатора показано на рис. 7.5. За його допомогою необхідні цифри та символи висвічують увімкненням відповідних елементів семисегментної системи.

Ц ей цифровий індикатор дозволяє відображати всі десять цифр, а також декілька літер. До таких індикаторів належать: АЛС313, АЛС314 – червоне світіння, АЛС321 – жовте світіння. Створено багато­розрядні сегментні індикатори: ЗЛС101 – на 3, 4 і 5 розрядів, ЗЛС318 – на 9 розрядів. Матричний індикатор складається з 36(7х5 + 1) точок і є універсальним цифролітерним

індикатором, оскільки дозволяє висвітлювати всі літери, цифри та знаки.

Рис. 7.5. Конструкція однорозрядного цифрового індикатора

Створено точково-растрові індикатори на світлодіодах, а також кольорові точково-растрові панелі, які здатні в окремих випадках замінювати кольорові кінескопи. Малі напруга живлення (до 5 В) та струм (до 50 мА), невеликі габарити і довговічність (до 10⁶ год) дозволяють вважати світлодіод одним з перспективних напівпровідникових приладів для побудови сучасних систем відображеня інформації.

Випромінювальні діоди широко використовують у пристроях автоматики, системах телекомунікацій, в оптичних лініях зв’язку тощо.

У таких пристроях важливою є швидкодія приладів. Випроміню­вальні діоди (світлодіоди і ІЧ-діоди) мають високу швидкодію. Світіння цих приладів зростає до максимального значення протягом приблизно 10^–8 с після подачі імпульсу прямого струму.

Подальше вдосконалення випромінювальних діодів ґрунтується також на використанні нових гетероструктурних напівпровідникових матеріалів та їх поєднань. Для створення над’яскравих світлодіодів, крім арсеніду галію та фосфіду індію, перспективним вважають нітрид галію (GaN), який дозволяє у 10 разів збільшувати яскравість випромінювання.