Светодиоды. 
Электроника

Светодиод — полупроводниковый излучающий прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного оптического (светового) излучения. Используются светодиоды в оптических линиях связи, модуляторах, индикаторных устройствах, в оптопарах и т. д.

В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Излучение обусловлено рекомбинацией неравновесных носителей и происходит вр—л-переходе и прилегающих к нему областях.

Одно из главных требований, предъявляемых к индикаторным светодиодам, — спектр излучения должен попадать в видимый диапазон. Поскольку в светодиодах основную роль играет межзонная излучательная рекомбинация, необходимая ширина запрещенной зоны полупроводников определяется граничными частотами фотонов У_кр и у_ф видимого диапазона: Лу_кр < Д?₃ < Лу_ф, т. е. 1,8 эВ < Д?₃ = (Лу) < 3,2 эВ. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны используемого полупроводника ток рекомбинации через р—л-переходы оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях (см. п. 2.3), т. е. процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в р—л-переходе. В светодиодах возможно получить излучательную рекомбинацию и при подаче обратных смещений, достаточных для ударной ионизации атомов в р— л-переходе (см. п. 2.3). Образовавшиеся в результате ионизации неравновесные носители рекомбинируют в р—л-переходе с излучением света, однако такие приборы менее эффективны.

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяют арсенид галлия ОаАв, фосфид галлия СаР, нитрид галлия ОаЫ, карбид кремния 81С, трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия СаА8,__хР_х, где 0…1, и ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений. Использование этих материалов позволяет создать светодиоды, работающие в ИК, видимой и УФ областях спектра. КПД рассматриваемых приборов в основном зависит от внутреннего квантового выхода г|_ф, который равен отношению количества излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей. Вероятность излучательной рекомбинации, определяющая внутренний квантовый выход, непосредственно связана с видом переходов в используемом полупроводнике. Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми переходами во много раз больше, чем с непрямыми.

Светодиоды на основе фосфида галлия. На рис. 16.3 (кривая х = 1,0) представлена энергетическая диаграмма чистого фосфида галлия, где минимумы энергии дна зоны проводимости при значении импульса р = р₁ соответствуют прямым переходам (ширина запрещенной зоны АЕ₃ = 2,8 эВ), а при р = р₂ — непрямым переходам (Д?₃ = 2,26 эВ). Следовательно, чистый фосфид галлия вар относится к не прямозонным полупроводникам. Квантовый выход для таких переходов незначителен, однако он широко используется для изготовления светодиодов, так как обеспечивает излучение в видимой области спектра, что необходимо для применения в индикаторных устройствах.

Для увеличения эффективности излучательных процессов в непрямозонных полупроводниках внедрением примесей создают рекомбинационные центры — ловушки. Например, при введении кадмия Сс1, цинка Ъп, меди Си, азота N образуются ловушки акцепторного типа, уровни энергии которых относительно потолка валентной зоны соответственно равны: (Е_в +.

+ 0,097) эВ для Сс1, (.Е_в 4- 0,064) эВ для.

Рис. 16.3.

7аП, (Е_ц + 0,68) эВ для Си, (?_п — 0,008) эВ для N. Внедрение кислорода О и серы в приводит к появлению донорных уровней, которые располагаются ниже дна зоны проводимости: (Е_п — 0,896) эВ для кислорода, (Е_п — 0,104) эВ для серы. Излучательные переходы между донорными и акцепторными ловушками позволяют получить генерацию света на различных длинах волн (рис. 16.4, 16.5). При внедрении цинка, кадмия и кислорода реализуется красное излучение; кадмия, серы и азота — зеленое (см. рис. 16.4). Физические явления, происходящие в фосфиде галлия при наличии примесей, можно проиллюстрировать на примере легирования азотом. Азот замещает атомы фосфора в узлах кристаллической решетки. Азот и фосфор являются элементами одной группы периодической системы, имеют одинаковую внешнюю, но различную внутреннюю электронную структуру. Различие в строении приводит к возникновению энергетического уровня ловушки вблизи зоны проводимости. Инжектированные в р область светодиода электроны попадают сначала на уровни ловушек, которые затем захватывают дырку из валентной зоны. В результате фотоны.

Рис. 16.4.

Рис. 16.5.

рождаются с энергией, примерно равной разности между шириной запрещенной зоны и энергией связи атома ловушки.

Зависимость внутреннего квантового выхода Г|_ер (в относительных единицах) от энергии излучаемых фотонов представлена на рис. 16.5. Полный КПД светодиода, излучающего зеленый свет, приблизительно равен 0,1%, а излучающего красный ~ 3%. Хотя КПД светодиодов с зеленым свечением мал, они применяются в индикаторной технике, поскольку чувствительность глаза к зеленому свету в 30 раз выше, чем к красному.

Светодиоды на основе трехкомпонентных твердых растворов.

В светодиодах наиболее часто используются трехкомпонентные твердые растворы фосфида арсенида галлия ОаАв! _ (энергетические диаграммы соответствуют кривым при 0 < х < 1, например х = 0,4 и 0,65 на рис. 16.3). При увеличении фосфора в решетке арсенида галлия изменяется энергетическая диаграмма полупроводника (см. рис. 16.3). При х = 0 энергетическая диаграмма соответствует чистому арсениду галлия, а при х = = 1,0— чистому фосфиду галлия. При возрастании х от 0 до 0,45 ширина запрещенной зоны соединения АЕ_Л увеличивается с 1,42 эВ до 1,98 эВ (см. рис. 16.3 и рис. 16.6). В светодиодах на основе таких материалов преобладают прямые переходы (кривая 1 на рис. 16.6). Дальнейшее увеличение содержания фосфора (увеличение х) приводит к непрямым переходам (кривая 2 на рис. 16.6), что вызывает уменьшение вероятности межзонной излучательной рекомбинации и, соответственно, внутреннего квантового выхода (кривая 1 на рис. 16.7).

Рис. 16.6.

Рис. 16.7.

Для увеличения эффективности, излучательной рекомбинации в фосфид арсенида галлия, как и в фосфид галлия, вводят примеси. На рис. 16.7 (кривая 2) проиллюстрировано влияние азота на величину квантового выхода Г|_ф.

Параметры светодиодов. К основным параметрам светодиодов относятся: яркость и мощность излучения, рабочее постоянное прямое напряжение, наибольшее постоянное или импульсное обратное напряжения, время нарастания и спада импульса излучения, длина волны излучаемого света (или его цвет), наибольший прямой постоянный или импульсный ток, КПД, долговечность и ряд других. Смысл большинства параметров понятен из их названия. Остановимся на специфических параметрах светодиодов.

Яркость В (кд/м²) характеризует свечение светодиода в избранном направлении. Для светодиодов яркость составляет несколько сот кд/м².

Минимальное прямое рабочее, или пороговое, напряжение 1/_пор светодиода определяется энергией излучаемых фотонов; например, для зеленого света энергия фотона ~ 2,2 эВ, а пороговое напряжение ~ 2,4 эВ.

Максимальное рабочее напряжение ограничивается допустимой мощностью рассеяния светодиода. Оно в основном зависит от контактной разности потенциалов р—л-перехода и сопротивления базы. Указанные напряжения определяют и соответствующие токи светодиода.

Постоянные времени нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении светодиодов характеризуют их инерционные свойства. Эти параметры измеряются между значениями яркости, составляющими 0,1 и 0,9 максимальной величины. Инерционность светодиодов определяется временем перезаряда емкости прибора. Для светодиодов значения постоянных времени составляют доли микросекунд.

КПД зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции светодиодов. Потери энергии связаны с поглощением света в полупроводнике, контактах и элементах конструкции прибора.

Основные характеристики светодиодов. К ним относятся яркостная, спектральная и вольт-амперная (ВАХ) характеристики. Яркостная характеристика — это зависимость яркости В от тока через р—л-переход, спектральная характеристика — зависимость интенсивности светового потока (или яркости, мощности, силы.

Рис. 16.8.

света, энергии) от длины волны; ВАХ, как и в обычных диодах, есть зависимость / = f (U).

На рис. 16.8, а представлены спектральные характеристики, дающие зависимость относительной мощности от длины волны излучения для светодиода из фосфида галлия (кривая 1) и фосфида арсенида галлия (кривая 2).

Вид яркостной характеристики зависит от структуры р—н-перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых токах / и, соответственно, малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны, т. е. при U = 17_пор (напряжению U_aop соответствует ток /_пор на рис. 16.8, б). Рост напряжения (тока) увеличивает число рекомбинирующих носителей, следовательно, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, в результате уменьшается квантовый выход и наклон характеристики к оси абсцисс становится меньше. Различия прямых ветвей ВАХ различных светодиодов объясняются разной шириной запрещенной зоны исходных материалов. Пробивное напряжение светодиодов при их обратном включении относительно невелико из-за малой толщины перехода.

Конструктивное исполнение светодиодов сильно влияет на величину внешнего квантового выхода, а, следовательно, и на КПД прибора. Из-за высокого коэффициента преломления исходного материала светодиодов большая часть света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводник— воздух. В результате из-за многократных переотражений от границ (рис. 16.9) происходит значительное поглощение света в полупроводнике, и только малая часть энергии излучения выходит из светодиодов простейшей плоской конструкции.

Светодиоды на основе фосфида арсенида галлия (см. рис. 16.9) получают наращиванием эпитаксиального слоя 2 на подложку из арсенида галлия 1. Излучаемый в области р—п перехода 3 свет падает на подложку I и частично поглощается, что приводит к дополнительным потерям энергии. При более прогрессивной технологии эпитаксиальный слой 2 выращивают на прозрачной подложке из фосфида галлия с отражающим нижним покрытием 4. Это увеличивает выход полезного излучения. Внешний квантовый выход можно также увеличить за счет применения более сложных конструкций светодиодов. На рис. 16.10 показано устройство-одного из типов таких светодиодов (3 — п база, выполненная в виде полусферического монокристалла полупроводника, 1 и 2 — металлические контакты, 4 — эмиттер). Для повышения КПД светодиодов применяют прозрачные полусферические покрытия из стекла и пластмасс с высоким показателем преломления, просветляющие (прозрачные для излучаемых волн) покрытия внешней поверхности прибора и т. д.

Излучения различного цвета в индикаторах или индикаторных матрицах (см. гл. 15) реализуют в светодиодах с несколькими переходами. Пример двойной диодной структуры, которая излучает красный или зеленый свет, либо тот и другой одновременно, показан на рис. 16.11, где 1 и 2— контакты к р областям диода, генерирующим соответственно красный и зеленый свет; 6 — подложка; 4 и 5 — р—л переходы соответственно для красного и зеленого диодов; 3 — л-ваР общий контакт.

Рис. 16.9.

Рис. 16.10.

Рис. 16.11.

На практике используются также приборы на основе чистого арсенида галлия и нитрида галлия, которые дают соответственно инфракрасное излучение (А, ~ 900 нм) и излучение голубого света, а также другие материалы.

Высокая надежность, большой срок службы (долговечность), малые рабочие напряжения и потребляемые мощности, небольшие масса и габариты светодиодов обусловили их широкое применение в устройствах самого различного назначения.