Основные характеристики cветодиодов

Основной характеристикой cветодиода как cветоизлучающего прибора является, прежде всего, его спектральная характеристика. Цвет излучения светодиода определяется длиной волны главного максимума спектральной характеристики max. На рис. 12 для примера приведены типовые спектры излучения (зависимости силы света IV от ) промышленных фосфидгаллиевых светодидов АЛ102 и ЗЛ102А-Д. Кривая 1 на этом рисунке — для cветодиодов красного цвета свечения, а кривая 2 – для cветодиодов зеленого цвета свечения.

Эффективность cветодиода как прибора, преобразующего электрическую энергию в световую, характеризуется внешним квантовым выходом излучения _внеш, определяемым как

_внешн=_внiK_опт. (49)

В этом выражении _i - коэффициент инжекции, введенный выше [см. (48)], _вн - внутренний квантовый выход излучения. Величина внутреннего квантового выхода определяется относительным числом актов излучательной рекомбинации в общем количестве актов рекомбинации инжектированных в базу светодиода неравновесных носителей в единицу времени.

Из этого определения следует, что

_вн=_n/_r, (50)

где _r — излучательное время жизни, _n — полное время жизни неравновесных носителей. На рис. 13 приведена зависимость _вн от плотности полного тока I для GaР светодиодов. При малых значениях I диффузионная составляющая прямого тока мала, и в основном он обусловлен туннельными переходами носителей и бeзызлучательной рекомбинацией внутри и вне области пространственного заряда p—n перехода. Как следствие этого, вн при малых токах невелик и резко нарастает с увеличением I до тех пор, пока диффузионная компонента не становится преобладающей в токе диода. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к насыщению излучательных центров и к уменьшению квантового выхода.

Величина К_опт (49), зависящая от конструкции светодиода, называется коэффициентом вывода света, или оптической эффективностью, и характеризует потери излучения на: а) самопоглощение, б) поглощение омическими непрозрачными контактами и поверхностным слоем кристалла, в) многократное внутреннее отражение на границе кристалл-воздух и др. Оптическая эффективность является основным фактором, определяющим внешний квантовый выход. Как правило, более чем 40-80% генерируемого света не выходит из диода.

Одной из основных характеристик светодиода является яркостная характеристика, т.е. связь между яркостью L и величиной тока, протекающего через диод. По определению яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах (кд) на квадратный метр. В свою очередь сила света Iv - световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (люмен на стерадиан). В оптоэлектронных устройствах рабочим является почти линейный участок характеристики L=(I) , а нелинейный (начальный) характеризуемый низкой яркостью, не используется. На линейном участке яркостную характеристику аппроксимируют следующим выражением:

L=L₀(I-I₀)^, (51)

где L₀,  и I₀ - постоянные, которые зависят от типа диода, параметров материала, характеристик контактов и температуры. В рабочем диапазоне изменение яркости  имеет обычно значения 0,92-1,05. При больших значениях плотности тока через диод I наблюдается тенденция к насыщению яркостной характеристики L=f(I) вследствие полного заполнения излучательных центров. Для светодиодов характерно явление деградации яркости с течением времени при работе в номинальном режиме и особенно при повышенной температуре.

Светодиод как точечный источник света характеризуется диаграммой направленности, которая определяется его конструкцией, наличием линзы, оптическими свойствами материала. Свечение диода может быть узконаправленным и рассеивающим.

Как элемент электрической цепи, светодиод характеризуется вольт-амперной характеристикой, близкой к характеристике обычного выпрямительного диода. Характерным для кривой светодиода является наличие начального порога включения 1,5 -2,2 эВ и почти линейность на рабочем участке.

Применение. Светодиоды обладают рядом достоинств по сравнению с другими источниками света. Спектр излучения различных светодиодов перекрывает весь видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область спектра, а малая ширина спектральной линии дает возможность получить высокую интенсивность излучения при малой подводимой мощности, т. е. высокий КПД  ( =P_изл/IV, P_изл - мощность излучения; I -ток через диод; V - напряжение на диоде). По своему быстродействию (время разгорания и затухания свечения составляет 10-7 – 10-9с) и миниатюрности инжекционные светодиоды намного превосходят известные источники излучения (например, газоразрядные приборы и лампы накаливания). Все это позволяет конструировать на основе светодиодов быстродействующие интегральные оптоэлектронные схемы. Светодиоды обладают рядом преимуществ и как элементы индикации: малыми габаритами, низким напряжением питания, набором различных цветов свечения, устойчивостью к механическим воздействиям, большим сроком службы.

Схема измерительной установки исследования фотодиодов:

Р ис.14. 1-блок питания светодиода; 2-светодиод; 3-монохроматор; 4-фотоприёмник; 5-фоторегистратор; 6-нагреватель и термопара; 7-регистратор температуры