Спектральные характеристики светоизлучающих диодов

Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой СИД. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Длина волны лmax излучения светодиода определяется по формуле:

где h - постоянная Планка, с - скорость света, E - ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если лmax измеряется в мкм, а Е - в Эв.

В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах СИД. Примеры спектральных характеристик СИД на основе GaP и SiC с различными примесями приведены на рис. 6. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон СИД характеризуют шириной спектра излучения ?л0,5, из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.

Рис. 6. Спектральные характеристики СИД.

Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (?л/лmax<<1) и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

Независимо от того, насколько эффективен СИД, 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 СИД должен быть спектрально согласован либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 300--1100 нм. Человеческий глаз обладает существенно более узким диапазоном чувствительности с практически полезной областью 400--700 нм. Для эффективной работы пары излучатель -- приемник необходимо тщательное согласование спектральных характеристик этих приборов.

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

V(л) з(л) =max

Этот максимум достигается при л=655 нм (рис. 6) -- красный цвет излучения.

У СИД, имеющих более короткие длины волн излучения (например, с лmax=565 нм -- зеленый цвет. и лmax=585 нм -- желтый цвет), значение з обычно существенно ниже, чем у СИД 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(л) з (с точностью до порядка величины).

Рис. 7. Нормированные спектральные характеристики глаза V(X), СИД и кремниевого фотодиода (пунктир).

На рис. 7 представлены для сравнения спектральные характеристики различных СИД, а также спектральные характеристики чувствительности человеческого глаза и фотодиода в относительных единицах. Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования СИД с фотодиодом. С одной стороны, такое согласование по сравнению с согласованием с человеческим глазом облегчается, так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире. С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары СИД -- фотоприемник.

3. Применение СИД

Светоизлучающие диоды имеют широкое применение. Они используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других технических устройствах. При этом СИД выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства - как дискретный оптоэлектронный прибор - или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора или оптоэлектронной микросхемы - оптрона. В этом случае излучающая структура должна обеспечивать одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстродействие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприемником оптрона и характеристики оптрона оптимальны. Для обычных СИД, не входящих в состав оптрона, требования к направленности излучения обычно существенно ниже. Кроме того, СИД визуального применения могут иметь низкое быстродействие, т. е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.

Рассмотрим типичные структуры и параметры излучателей, используемых в современных оптронах.

Структура на основе р-n перехода в арсениде галлия (так называемая мезаструктура), легированном кремнием, образует активную область с такими особенностями:

практически полное отсутствие безызлучательной рекомбинации, т.е. высокое совершенство структуры;

высокая эффективность инжекции;

различие спектральных характеристик излучения (лmax?940 нм) и поглощения (лгр?900 нм), что резко снижает самопоглощение и позволяет получить высокие значения коэффициента вывода излучения.

В результате у лучших образцов излучателей этого типа з? 7-9%, а КПД 6-7%. У подобных им приборов с полусферической активной областью з? 20-30% и КПД 10- 5%. Однако большее время жизни носителей и протяженность активной области приводят к тому, что при протекании прямого тока накапливается избыточный заряд, рассасывание и рекомбинация которого проходят за 10-7-10-6 с.

Одинарная гетероструктура а на основе тройного соединения GaAlAs обеспечивает одностороннюю инжекцию дырок в базу и эффективную люминесценцию. Это следствие того, что область безызлучательной рекомбинации (дефекты на границе подложка - база) удалена от активной области. Вывод излучения проходит с минимальным поглощением. В итоге у лучших образцов з? З - 4% (при tпер? 40-80 нс). Диапазон рабочих токов составляет 1-20 мА. Падение напряжения в прямом направлении около 1,2 В (при Iпр=10 мА). Напряжение пробоя 6--8 В. Барьерная емкость при нулевом смещении 100 пф.

В двойной гетероструктуре на основе того же тройного соединения GaAlAs возможно увеличение концентрации легирующей акцепторной примеси Na при постоянной толщине базовой области. За счет этого растет граничная частота, но одновременно увеличивается туннельная компонента прямого тока, а внешний квантовый выход з уменьшается. Существует некоторое оптимальное значение Na, при котором достигается максимальное произведение зfгр, представляющее собой обобщенный показатель эффективности излучателя в оптроне. Излучатели такого типа, как отмечалось, характеризуются значениями з? 2-2,5% и tпер? 20-30 нс.

Заключение

Применение оптических методов записи, хранения обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой -- возможностью достижения высокой плотности записи информации в оптических запоминающих устройствах.

На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо, прежде всего, понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они являются фундаментом всей квантовой и оптической электроники.