14.2. Электросветовые приборы

Полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразо­вания электрической энергии в энергию светового излучения, отно­сятся к излучающим приборам. Светоизлучающий диод – один из наиболее распространенных излучающих приборов. Он имеет один или несколько р-n-переходов и преобразует электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Причиной свечения, возникающего в диоде, является инжекционная электролюминес­ценция, которая связана с самопроизвольной рекомбинацией носи­телей заряда, инжектируемых через р-n-переход при прямом его включении. При рекомбинации, как известно, происходит переход возбужденных электронов зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны. При этом выделяется фо­тон с энергией h=, где – ширина запрещенной зоны полу­проводника. Из этого соотношения следует, что для излучения види­мого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник дол­жен иметь > 1,7 эВ. Поэтому для современных фотодиодов используют фосфид галлия, карбид кремния и некоторые тройные со­единения, удовлетворяющие этому условию. Для светоизлучающих диодов инфракрасного излучения используют арсенид галлия, име­ющий ширину запрещенной зоны 1,42 эВ.

Излучательная способность диода характеризуется внутрен­ней квантовой эффективностью (определяется отношением чи­сла фотонов к числу инжектируемых носителей) и внешней кван­товой эффективностью (определяется отношением числа фотонов, испускаемых диодом, к числу инжектированных носите­лей). Получить внутреннюю квантовую эффективность, близкую к 100 %, сложно, так как имеются безызлучательные переходы, при которых энергия может выделяться в виде квантов тепловых ко­лебаний кристаллической решетки (фононы). Наилучшим с точки зрения соотношения между излучательными и безызлучательными переходами является арсенид галлия, у которого внутренняя квантовая эффективность близка к единице.

Внешняя квантовая эффективность у светоизлучающих диодов значительно ниже внутренней. Это связано с тем, что большая часть квантов света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводника и воздуха с возможным поглощением час­ти фотонов. Внешний квантовый выход удается увеличить при использовании различных конструкций. Примером может быть светоизлучающий диод с полусферической структурой, в котором внеш­ний квантовый выход на порядок выше по сравнению с диодами с плоской структурой. На рис. 14.15 показан такой светоизлучающий диод. База типа n выполнена в виде полусферического монокри­сталла полупроводника, область p – эмиттер.

Светоизлучающие диоды служат основой для более сложных приборов, к которым относится, в частности, цифробуквенный инди­катор, выполненный в виде интегральной схемы из нескольких све­тодиодных структур. При этом они располо­жены так, чтобы при соответствующих комби­нациях светящихся сегментов получалось изображение цифры или буквы. Матричные индикаторы содержат большое число эле­ментов, из которых синтезируют любые зна­ки. Существуют управляемые светоизлучающие диоды, у которых от уровня поданного на электроды напряжения зависит размер светящейся области диода. Такие диоды используются как индикаторы настройки приборов, для записи аналоговой информации на фото­пленку, в качестве шкал различных измерительных приборов и т.п.

Основные параметры светоизлучающих диодов – яркость и мощность излучения, рабочее постоянное прямое напряжение, наи­большее обратное напряжение, время нарастания и спада импуль­са излучения, длина волны излучаемого света и др. Светоизлучающие диоды обладают высокой стабильностью, низким потреблени­ем мощности, высоким быстродействием, долговечностью. В связи с низким рабочим напряжением они совместимы с интегральными схемами. К недостаткам относятся низкая радиационная стойкость и чувствительность к изменениям температуры.