2.15 Типы переходов и характеристики излучающих полупроводниковых структур.

На рис. 2.24. приведена схема электронных переходов при поглощении энергии полупроводниками. В излучателях используются обратные переходы при которых энергия электронов уменьшается в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны E_G и различными примесями.

Первый переход называется межзоновым. Для получения излучения в диапазоне 0,38 – 0,78 мкм используются прямозонные полупроводники с шириной запрещенной зоны E_G = 1.6 ÷ 3 эВ.

Переходы 2.3.4 – излучательные переходы с участием примесных уровней центров свечения.

Второй переход иллюстрирует рекомбинацию электрона находившегося в зоне проводимости и дверки в валентной зоне через промежуточный акценторный уровень.

Третий переход соответствует случаю когда рекомбинация происходит через донорный (Д) и акцепторный (А) уровни примесей.

Четвертый случай показывает переход электрона с возбужденного на основной уровень в пределах примесного центра (случай внутрицентровой рекомбинации). Добавки Fe, Co, Ni приводят к безизлучательным переходам через центры тушения.

Пятый переход наблюдается при низких температурах и высоких уровнях возбуждения и соответствует рекомбинации через экситонные состояния.

Рис. 2.24. Обратные электронные переходы при поглощении энергии полупроводниковыми материалами

Эффект испускания фотонов полпроводниковыми структурами используется в излучающих диодах.

Излучающие диоды используются в качестве излучателей в различных системах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других устройствах, при этом диод выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства – как дискретный оптоэлектронный прибор, или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора, например оптопары. Во втором случае излучающая структура должна обеспечить одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстродействие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприемником оптопары и характеристики оптопары оптимальны. Для излучающих диодов, не входящих в состав оптопары, требования к направленности излучения обычно существенно ниже. Кроме того, светоизлучающие диоды могут иметь относительно низкое бы­стродействие, т. е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.

В зависимости от способа приема излучения излучаю­щего диода – визуального или невизуального – оптические свойства излучения диода описываются световыми или энер­гетическими параметрами. При визуальной передаче ин­формации (в знаковых индикаторах, при подсветке надпи­сей и пусковых кнопок, для инди­кации состояния электронного устройства и т. п.) приемником излучения служит человеческий глаз. Невизуальная передача ин­формации характеризуется тем, что обнаружение потока излуче­ния от диода, работающего обыч­но в инфракрасном диапазоне, исключает человеческое зрение и осуществляется физическим фо­топриемником. К невизуальной области применения относятся, например, устройства считывания с перфокарт и перфолент вычис­лительных машин, всевозможные оптические устройства связи и сигнализации и т.п.

Эффективность излучающего диода характеризуют за­висимостями параметров оптического излучения от прямого тока через диод (излучающие характеристики) и от длины волны излучения (спектральные характеристики).

Для ИК-диодов излучательная характеристика пред­ставляет собой зависимость потока излучения Ф_e от прямо­го тока I_пр (в соответствии с рис. 2.25).

Рис. 2.25. Излучательная характеристика СИД

(кривой 1 соответствует верхняя шкала, кривой 2 – нижняя)

Для светоизлучающих диодов излу­чательная характеристика задается обычно зависимостью силы света I_v от прямого тока I_пр. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Это связано с тем, что p-n - переход излучающего диода включен в прямом направ­лении и электрическое сопротивление диода мало. Поэтому можно считать, что прямой ток через излучающий диод за­дается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется.

При малых токах I_пр велика доля безызлучательной рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции мал.

C ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается – до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.

Дальнейшее увеличение I_пр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому. Что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего p-n - перехода и от размеров электрических контактов.

Зависимость длины волны от параметров опти­ческого излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой излучающего диода. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетиче­ских уровней, между которыми происходит переход элек­тронов при люминесценции. В связи с разной шириной за­прещенной зоны у различных материалов длина волны из­лучения различна в разных типах излучающих диодов. Примеры спектральных характеристик приведены на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Спектральная характеристика глаза, СИД фотодиода

Так как переход электронов при рекомбинации носите­лей зарядов обычно происходит не между двумя энергети­ческими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спек­тральный диапазон излучающего диода характеризуют ши­риной спектра излучения _0,5 измеряемой на высоте 0,5 максимума характеристики. Излучение большинства излу­чающих диодов близко к квазимонохроматическому (_max<1) и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

Независимо от того, насколько эффективен излучающий диод, выходное излучение даже большой мощности не бу­дет зарегистрировано, если длина волны излучения не соот­ветствует спектру излучения, на который реагирует фото­приемник. В огромном большин­стве случаев применения излуча­ющий диод должен быть спект­рально согласован либо с челове­ческим глазом, либо с кремние­вым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет при­мерно (0,31,1) мкм. Человеческий глаз обладает существенно более узким диапазоном чувствительно­сти с практически полезной об­ластью (0,40,7) мкм. Для эффек­тивной работы пары излучатель – фотоприемник необходимо тща­тельное согласование спектраль­ных характеристик этих приборов.

Например, при согласовании с человеческим глазом светоизлучающего диода на основе GaAsP согласование обес­печивается выбором такой длины волны, на которой произ­ведение относительной световой эффективности глаза V() и квантового выхода СИД  является максимальным, т.е.

V() ()=max. (2.79)

Этот максимум достигается при =655 нм (в соответствии с рис. 2.27) – при красном цвете излучения.

В СИД, имеющих более короткие длины волн излучения (например, с _max = 565 нм – зеленый цвет и _max = 585 нм – желтый цвет), значение  обычно существен­но ниже, чем у излучающего диода красного цвета. Однако относительная чувствительность глаза при такой длине вол­ны значительно больше. В результате удается получить на­бор излучателей от красного до зеленого цвета свечения, которые имеют одно и то же значение произведения V() (с точностью до порядка величины).

Рис. 2.27. Согласование спектральной характеристики светодиода и относительной световой эффективности

На рис. 2.27 представлены также для сравнения спектральные характеристики чувствительности человеческого глаза и фотодиода (пунктир) в относительных единицах. Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования излучающего диода с фотодиодом. С одной стороны, Такое согласование облегчается. Так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире, чем спектр V(). С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары излучатель - фотодиод.