Внешний квантовый выход ηизл

Внешний квантовый выход определяет, какое количество фотонов, возникших при излучательной рекомбинации, выходит из светодиода в окружающее пространство.

Часть сгенерированных фотонов вновь поглощается активным элементом. Наиболее интенсивное поглощение свойственно прямозонным полупроводникам. Поглощение происходит в активной области, но активная область имеет небольшие размеры. Однако барьерные слои в полупроводнике с двойной гетероструктурой, несмотря на большие размеры, не поглощают возникшее излучение благодаря широкой запрещенной зоне.

Потери излучения могут быть связаны с экранирующим действием электрических контактов. Для уменьшения таких потерь устанавливают промежуточный слой, обеспечивающий растекание электронного тока за счет его высокой проводимости и высокой прозрачности (рис.5.7). Непосредственно под поверхностью электрического контакта формируют также область с высоким удельным сопротивлением с тем, чтобы восп репятствовать формированию излучения под металлическим контактом.

Внешний квантовый выход существенно повышается при использовании зеркальных возможностей многослойной структуры в виде нескольких слоев из четвертьволновых пленок с чередующимися показателями преломления (зеркала Брэга). Иногда устанавливается двусторонняя система зеркал, одно из этих зеркал может быть чисто металлическим. Такая система зеркал образует резонатор Фабри-Перо. Такие светодиоды по своим параметрам приближаются к полупроводниковым лазерам.

Большое значение в обеспечении высокого внешнего квантового выхода имеют конструктивные особенности защитного корпуса. Корпус светодиода предназначен, в первую очередь, для защиты активной среды от внешних воздействий влаги и механических факторов. Материал корпуса должен обладать высокой химической и коррозийной стойкостью, высокой твердостью и формоваться при невысоких температурах.

В состав корпуса входят два электрических вывода и оптически прозрачное окно. Корпус мощного светодиода содержит также теплоотвотводящие элементы. Материалы для окон должны обладать высокой коррозийной стойкостью, механической прочностью, герметичностью и определенным коэффициентом преломления. В качестве материала используются эпоксидные смолы, силиконовые полимеры и полиметилметакрилаты (оргстекло).

От величины показателя преломления зависят угловое распределение выходящего светового потока и угол падения излучения на внутреннюю сторону полимерного окна, выше которого поток подавляется из-за полного внутреннего отражения. Из закона Снеллиуса

φ_max = arcsin(1/ ň_s),

где ň_s – показатель преломления материала окна.

Из этого соотношения следует, что только часть света, генерируемая внутри полупроводника, может выйти за его пределы:

P_ген/P_изл = 0,5[1 – cos(φ_max)].

При сферической форме выходного окна и малых размерах активной области (приближение к точечному источнику) угол падения никогда не достигает указанной величины, и практически все излучение активной области выходит в окружающее пространство. Типичные варианты констр укции светодиодов показаны на рис. 5.8, а и б.

Как видно из рис. 5.8, а, кристалл маломощного светодиода крепится выводами вверх, приклеивается или припаивается на дне чашеобразного углубления (чашка отражателя), обладающего высокой отражательной способностью. С этой целью в качестве материала чашки используется проводящая эпоксидная смола (эпоксидная смола с наполнителем из серебряного порошка). Корпус чашки обычно соединяется с отрицательным полюсом источника питания (катодный вывод). Провод к верхнему контакту соединен со вторым выводом (анодом). В маломощных светодиодах корпуса, как правило, имеют форму полусфер, поэтому лучи выходящего света попадают на границу раздела корпус – воздух по нормали к поверхности. Благодаря этому не возникают потери на полное внутреннее отражение.

Плоские поверхности используют, когда предполагается однонаправленный световой поток. Такие светодиоды могут использоваться в устройствах, соединяемых с установкой светодиода заодно с оптическим световодом.

Корпус мощного светодиода (рис.5.8, б) обладает тремя особенностями. Во-первых, в его состав входит алюминиевый или медный радиатор, к которому с помощью припоя крепится кристалл светодиода. Во-вторых, кристалл светодиода герметизируется силиконом, обеспечивающим отсутствие механических напряжений во время эксплуатации. На силикон наносится пластиковое покрытие, играющее роль линзы. В-третьих, кремниевая подложка, на которую крепится светодиод, обеспечивает защиту от электростатического разряда.