Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения

Содержание

Введение

Физические основы работы светоизлучающих диодов

Вывод света из полупроводника

Основные полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов

Области применения

Светоизлучающий кристалл

Устройство светоизлучающих диодов

Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения

Электролюминесцентные лампы

Список использованной литературы  
Введение

Свет играет исключительно важную роль в жизни и производственной деятельности человека. Поэтому постоянно актуальна проблема создания высокоэффективных и надежных источников света.

Полупроводниковая электроника до недавнего времени могла решать задачи преобразования электрические сигналов в электрические (диоды, транзисторы, тиристоры и т. п.) и оптических сигналов в электрические (фотодиоды, фототранзисторы и т. п.). В последние годы в результате синтеза и исследования новых полупроводниковых соединений типа AIIIBV была решена задача преобразования электрических сигналов в оптические и созданы новые источники света — полупроводниковые светоизлучающие диоды, действующие на основе излучательной рекомбинации инжектированных р—n-переходом носителей.

Современные полупроводниковые светоизлучающие диоды характеризуются высокими техническими характеристиками: высокой яркостью (тысячи кандел на квадратный метр) и высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую (до единиц люмен на ватт); высоким внешним квантовым выходом излучения (до 45% в инфракрасном диапазоне); совместимостью по входным параметрам с транзисторными микросхемами, а по спектру излучения диодов инфракрасного диапазона — с фотоприемниками на основе кремния; высоким быстродействием (до единиц наносекунд); надежностью и большим сроком службы (до сотен тысяч часов). Вследствие этого они имеют обширные и многообразные области применения.

Физические основы работы светоизлучающих диодов

В основе работы полупроводниковых светоизлучающих диодов лежит ряд физических явлений, важнейшие из них: инжекция неосновных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо- или гетеропереходом; излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры.

Явление инжекции неосновных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структуры светоизлучающих диодов (недаром эти приборы часто называют инжекционными источниками света). Вопросы физики протекания инжекционного тока в р—n-переходах рассмотрены в работах Шокли и многих монографиях. В обобщенном виде инжекция носителей р—п- переходом может быть представлена следующим образом.

Когда в полупроводнике создается р—n-переход, то носители в его окрестностях распределяются таким образом, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев p- и n-типов электроны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n-сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р-стороне. Электрическое поле

дипольного слоя создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов.

При подаче на р—n-переход электрического смещения в прямом  направлении U потенциальный барьер понижается, вследствие чего в р-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область — дырок. Такое диффузионное введение неосновных носителей называется инжекцией.

Помимо инжекции существует еще один механизм возбуждения электролюминесценции — это ударная ионизация при обратном смещении р—n-перехода до напряжения электрического пробоя. Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен, чем инжекционный, из-за участия в нем разогретых носителей, которые часть энергии возбуждения передают решетке полупроводника. Кроме того, ударная ионизация требует высоких напряжений на р—n-переходе, вызывающих сильный перегрев р—n-перехода, который в отсутствие достаточного теплоотвода от кристалла может приводить к тепловому пробою и выходу прибора из строя.

Вывод света из полупроводника

Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р — n-переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь:

1. потери на внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник — воздух под углом, большим критического;
2. поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического;
3. потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях;
4. потери на поглощение излучения в толще полупроводника. Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника nп и воздуха na доля выходящего излучения определяется значением критического угла Qпр между направлением светового луча и нормалью к поверхности:

Qпр= arcsin n-1,

где n=nn/nв.

Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла Qпр равны примерно 16 и 17,7°.

Излучение, падающее на поверхность раздела полупроводник — воздух под углом, меньшим критического, выводится из кристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннее отражение. Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то все отраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла. Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения, то свет, отраженный верхней, нижней, а также боковыми гранями кристалла, может повторно (и не один раз) падать на светоизлучающую поверхность частично выводиться из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического.

Долю светового излучения, которая может быть вы ведена через верхнюю поверхность кристалла плоско конфигурации при первом падении световой волны, определяют по формуле

F= sin2 (Qпр/2) Тср ,

Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической эффективности светоизлучающих диодов:

1. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого p—n-переходом света падала на границу раздела под углом, меньшим критического.

2. Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв<n<nn для увеличения критического угла.

3. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

4. Применение специальной конфигурации  плоского кристалла для обеспечения "внутренней фокусировки" излучения  и увеличения доли генерируемого  света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

5. Создание омических контактов, занимающих незначительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле.

6. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения.

7. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения.

Основные полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов

Арсенид галлия

Полупроводниковые светоизлучающие диоды изготавливают в настоящее время на основе бинарных интерметаллических соединений типа AIIIBV и многокомпонентных твердых растворов этих соединений.

Первые важные области применения GaAs были связаны с использованием его для производства туннельных диодов. Значительную и все возрастающую роль GaAs играет в производстве фотопреобразователей солнечной энергии в электрическую.

Наиболее массовое применение GaAs нашел в производстве диодных источников спонтанного и когерентного излучений.

Основной промышленный метод получения GaAs — метод Чохральского. Значительное распространение находит также горизонтальная направленная кристаллизация по методу Бриджмена. Монокристаллы GaAs по параметрам распределяются на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те, Sn или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn.

Фосфид галлия

Промышленное получение монокристаллического GaP осуществляется в две стадии: синтез—получение крупных поликристалли-ческих слитков и выращивание монокристаллов по методу Чохральского из расплава, находящегося под слоем флюса. Монокристаллы GaP по параметрам делятся на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те или S или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn, монокристаллы высокоомного GaP легируются хромом или другими примесями с глубокой энергией залегания. Монокристаллы GaP не обладают пригодной для практики люминесценцией и для получения светоизлучающих р—n-переходов необходимо выращивать эпитаксиальные слои GaP.

Области применения

Требования к устройству и характеристикам светоизлучающих диодов определяются областями их применения; основные области следующие: 1) сигнальная индикация; 2) подсветка постоянных надписей, меток на экране, шкалах; 3) отображение шкальной информации в бесстрелочных измерительных приборах; 5) разнообразные функциональные применения — маркировка фотопленок, контроль быстродействующих ФЭУ и т. п.

Однако ко всем видам светоизлучающих ДИОДОВ Предъявляют требования: 1) низкие токи питания (5—10 мА) И входные напряжения (менее 3 В) этим обеспечиваются совместимость светоизлучающих диодов с транзисторными интегральными схемами и низкая рассеиваемая мощность; последняя необходима для осуществления плотного монтажа приборов; 2) высокая надежность, больший срок службы, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям; 3) высокая технологичность изготовления и низкая стоимость.

Светоизлучающий кристалл

Для изготовления светоизлучающих кристаллов используют эпитаксиальные структуры, . Выбор вида эпитаксиальных структур определяется, с одной стороны, назначением диода, а с другой стороны—основными характеристиками кристаллов на основе рассматриваемых структур.

Для получения максимальной силы излучения предпочтительны структуры GaAs. AlAs, GaP: ZnО.

В производстве светоизлучающих диодов используются кристаллы весьма малых размеров — по-видимому, одни из самых малых в электронике.

Омические контакты к кристаллам изготавливают методами тонкопленочной технологии. При изготовлении контактов к кристаллам светоизлучающих диодов верхний омический контакт должен быть, с одной стороны, минимальной площади для уменьшения потерь света, с другой стороны, содержать площадку, согласованную по размерам со сварочным инструментом, а также иметь элементы, обеспечивающие равномерное растекание тока по площади р—n-перехода. Нижний контакт может быть сплошным, если подложка непрозрачна для генерируемого излучения, и может быть отражающим свет для кристаллов с прозрачной подложкой.

В последнее время изготавливают также кристаллы с мезаструктурой на основе высокоэффективных жидкостно-эпитаксиальнйх структур со сплошным р—n-переходом. Кристаллы с мезаструктурой на основе GaP : N из-за увеличения плотности тока в 2—3 раза позволили получить в 1,3—1,5 раза большую силу света, чем дают кристаллы плоской конфигурации с площадью р—n-перехода 0,25/мм2.

Получают некоторое развитие также кристаллы с планарной структурой на основе жидкостно-эпитаксиальных структур со сплошным р—n-переходом. Достоинства приборов на основе таких планарных кристаллов — высокая эффективность, а также стабильность и надежность в процессе эксплуатации.

Следует отметить, что из структур с прозрачной подложкой (например, из GaP структур) могут быть изготовлены также кристаллы полусферической конфигурации.

Устройство светоизлучающих диодов

Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены на следующие группы: 1) в металло-стеклянном корпусе; 2) в конструкции с полимерной герметизацией на основе металло-стеклянной ножки или рамочного держателя 3) бескорпусные диоды.

Диоды в металло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностью параметров, механической и климатической устойчивостью.

Диоды с полимерной герметизацией по некоторым характеристикам имеют преимущества перед диодами в металло-стеклянной конструкции а) полимерная герметизация в большей степени позволяет осуществить перераспределение света в пространстве как в направлении сужения диаграммы направленности излучения (с увеличением силы света), так и в направлении ее расширения;

б) полимерная герметизация увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличения угла полного внутреннего отражения на границе кристалл — полимер,

в) герметизированные полимерами приборы обладают большей стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам, чем приборы в металло-стеклянных корпусах

г) полимерная герметизация позволяет получить при необходимости малое отношение объема (габарита) прибора к объему (габариту) кристалла; д) полимерная герметизация благодаря своей технологичности позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления приборов и их стоимость. Однако диоды с полимерной герметизацией в настоящее время уступают диодам в металло-стеклянном корпусе в отношении устойчивости к длительному воздействию влажности и резкой смене температур.

Бескорпусные диоды — самые миниатюрные светоизлучающие диоды, используемые в герметизируемой аппаратуре. Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило, посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками. Одновременно с увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излучения применение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводит к улучшению восприятия излучения.

Значительное перераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, которая формирует необходимую диаграмму направленности излучения.

В качестве материала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинстве случаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной диановой смолы.

Для изготовления сигнальных светоизлучающих дидов, как правило, применяется компаунд, диспергированный светорассеивающим наполнителем.

Основное требование, которому должен отвечать светорассеивающий компаунд,—максимальное рассеяние света при минимальном поглощении. В основе явления рассеяния света лежит нарушение оптической однородности среды, которое обуславливает различие в скорости распространения света в ее разных частях.

Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения

Светоизлучающие диоды — одни из немногих источников света, которые позволяют реализовать управляемое изменение цвета свечения. В настоящее время рассмотрено несколько путей создания светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения: двухпереходный однокристальный GaP диод; однопереходный двухполосный однокристальный GaP диод; двухкристальный биполярный диод с параллельным соединением кристаллов; двухкристальный диод с независимым включением кристаллов; двухпереходный однокристальный диод. один из р—n-переходов которого излучает красный свет, а другой—инфракрасное излучение, преобразуемое с помощью антистоксового люминофора в зеленое свечение.

Анализ оптических и электрических характеристик, технологичности и применения вышеуказанных видов светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший интерес в настоящее время представляет двухпереходный однокристальный GaP диод. Основные преимущества этого вида светоизлучающих диодов следующие: 1) позволяет получить более широкий, чем у однопереходного двухполосного GaP диода, диапазон изменения цвета свечения; 2) рабочий ток во всем спектральном диапазоне не более 20 мА в отличие от однопереходного GaP диода, у которого диапазон изменения тока существенно шире; 3) сила света примерно одинакова во всем спектральном диапазоне в отличие от однопереходного GaP диода, у которого сила света существенно различна для разных цветов свечения; 4) обеспечивает эффективное смешивание излучений двух полос, благодаря чему желтый и оранжевый цвета свечения имеют значительно лучшее качество, чем у двухкристальных диодов (последние фактически являются только двухцветными диодами); 5) позволяет отображать до пяти состояний объекта с помощью цветов: красный —оранжевый —желтый —зеленый — выключено (число отображаемых состояний может быть по крайней мере удвоено за счет использования мигающего свечения); 6) позволяет осуществить аналоговое отображение информации путем непрерывного изменения цвета свечения от красного до зеленого (через все оттенки);

7) имеет симметричную диаграмму  направленности излучения в отличие  от двухкристального диода, у  которого кристаллы смещены относительно  центра прибора, благодаря чему  оси диаграмм направленности излучения расположены под углом к оптической оси прибора;

8) двухпереходный диод значительно  эффективнее светоизлучающего диода, использующего преобразование инфракрасного  излучения в видимое, так как  Эффективность процесса антистоксового преобразования весьма низка.

Однако двухпереходный однокристальный GaP диод имеет и недостатки, а именно—более сложную технологию эпитаксиального выращивания структуры и изготовления кристаллов с тремя контактными областями.

Электролюминесцентные лампы

Рассмотрим схемы некоторых наиболее широко используемых конструкций ламп на основе светодиодов. В некоторых конструкциях использованы обычные транзисторные и диодные кристаллодержатели. В этом случае светодиод может быть либо герметически закрыт крышкой с прозрачным стеклянным окном, либо на металлических выводах, одновременно образующих основу кристаллодержателя, закреплены и светодиод, и последовательно с ним включенный кремниевый резистор. Пластмассовая линза, закрывающая корпус, формирует угловое распределение излучения и определяет угол видности прибора. Применяют и конструкции, подходящие для прозрачных полупроводников типа GaP, в которых свет излучается через все пять граней светодиода. Встроенные рефлекторы и пластмассовые линзы обеспечивают желаемое угловое распределение излучения. “Лампа” обычно состоит из следующих частей: излучающего свет полупроводникового кристалла и пластмассовой линзы или покрытия, обычно окрашенного и служащего оптическим фильтром. Дополнительными (необязательными) компонентами являются рефлектор, диффузор, равномерно распределяющий свет по всему пластмассовому покрытию, и встроенный в корпус резистор, включенный последовательно с диодом.

Основная задача покрытия состоит в создании среды с высоким показателем преломления и в соответствующем увеличении коэффициента вывода света из полупроводникового кристалла. В идеальном случае показатель преломления покрытия должен быть близок к показателю преломления полупроводника (n~3,3). Практически наилучшее приближение к этому условию обеспечивает ряд легкоплавких арсенид-халькогснид-галогенндных стекол с показателем преломления 2,4—2,9. Однако эти стекла окрашены, так что их можно использовать только с красными или инфракрасными светодиодами. Наибольшее возможное значение показателя преломления для прозрачного стекла составляет 2,3—2,4. Использование стекол накладывает ряд ограничений на оптические, тепловые и механические характеристики приборов, поэтому в большинстве электролюминесцентных ламп использованы прозрачные пластмассы с показателем преломления 1,5—1,6.

Список использованной литературы

1. А. Берг, П. Дин. Светодиоды. Ленинград, 1979.
2. Коган Л.М. Дохман С.А. Технико-экономические  вопросы применения светодиодов в качестве индикации и подсветки в системе отображения информации. – Светотехника, 1977.
3. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды, М.1983.
4. Воробьев В.Л., Гришин В.Н. Двухпереходные GaP-светодиоды с управляемым цветом свечения. –Электронная техника. 1977 г.
5. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов.М.: Советское радио 1969.
6. Амосов В.И. Изергин А.П. Диодные источники красного излучения на GaP, полученном методом Чахральского. 1972.