Рис. 8.9. Структура светоизлучающего диода

ежду излучательными и безызлучагельными переходами зависит от структуры энергетических зон полупроводника, наличия в кристалле примесей с большой эффективностью безызлучательных захватов носителей и других причин.

Энергетическая эффективность СИД характеризуется квантовым выходом, или квантовой эффективностью - отношением числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей. Различают внутренний и внешний Це квантовые выходы. Внутренний квантовый выход определяет эффективность излучения непосредственно в р-п-переходе, а внешний - на поверхности кристалла полупроводника.

Внешний квантовый выход СИД ниже внутреннего из-за высокого показателя преломления полупроводника. Большая часть квантов света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводника с окружающим воздухом и поглощается в структуре.

Устройство. В простейших СИД с плоской структурой (рис. 8.9, а) в окружающее пространство выходят сотые доли квантов света, возбуждаемых в переходе и прилегающих к нему областях. В СИД со структурой в виде полусферического монокристалла полупроводника (рис. 8.9,6) или с плоской структурой с прозрачным полусферическим покрытием (рис. 8.9, в) внешний квантовый выход больше.

Площадь излучающего р-п-перехода светодиода невелика (до 1 мм). Обычно она лимитируется возможным значением тока (10-50 мА) источника питания.

СИД являются источниками некогерентного излучения Ч Их спектральные характеристики излучения (рис. 8.10) оказываются размытыми, а в спектре фосфид-галлиевых СИД содержится два максимума (красного и зеленого) свечений. Размытость спектра излучения объясняется тем, что переход электронов при рекомбинации носителей заряда происходит не между двумя определенными энергоуровнями, а между группами близко расположенных энергетических уровней. Размытие спектра излучения определяют полушириной спектральной характеристики. Ее измеряют (в на-

• Некогерентиыми являются монохроматические волны разных частот, а также группы волн, начинающиеся и обрывающиеся со случайными значениями фаз в моменты их начала и обрыва.

S О.д

%o,6

I 0,4 .§ 0.2

0,6 07 0.8 OJ>A.mM.

3,0 2,5 2,0 WJ 1.0 1,5 1,if 1,ЗЕ,зО

Рис. 8.10. Спектральная чувствительность глаза (штриховая линия) и спектры излучения СИД из арсенида и фосфида галлия

нометрах или микрометрах) на высоте 0,5 от максимума излучения.

В настоящее время щироко используются матрицы СИД, содержащие -от 5 до 35 дискретных элементов (р-п-переходов), сформированных по планарной технологии в одном монокристалле. При большом числе элементов их соединяют в матрицу с перекрестной коммутацией. Они излучают свет при подаче прямого тока. Различные комбинации элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифровую и буквенную информацию (рис. 8.11, fl). Цифрознаковые индикаторы (ЦЗИ) изготовляются в виде монолитных матриц или гибридных интегральных схем.

Другой разновидностью СИД служат управляемые светодиоды с управляемой геометрией светящегося поля (рис. 8.11,6). Область п-типа такого СИД низкоомна и практически эквипотенциальна. Область р-типа высокоомна и при подключении внешнего напряжения не будет эквипотенциальной. Распределение потенциала t/np в р-области и размер светящегося поля будет определяться значением напряжения IJy, подводи.мого к управляющему электроду (рис. 8.11, е).

Характеристики и параметры. Специфическими параметрами СИД являются световые или фотометрические величины, характеризующие степень воздействия света на человеческий .глаз. За единицу силы света в системе СИ принята кандела (кд). Одна кандела дает световой поток 4.тт люмена (лм).

Эффективность действия света на человеческий глаз оценивается спектральной чувствительностью или спектральной характеристикой видности (см. рис. 8.10).

ППППП

тшшпг

Рис. 8.11. Устройство и распределение потенциала в р-области матричного СИД

Длина волны излучаемого .света определяется разностью энергий двух энергоуровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации. Ши рина запрещенной зоны у различных полупроводниковых материалов неодинакова. Различна и глубина залеганий в запрещенной зоне энергоуровней различных примесей, вызывающих излучатель-ную рекомбинацию носителей заряда. В связи с этим различна и длина волны излучаемого света в разных светодиодах.

Чувствительность глаза максимальна при длине волны %= = 555 нм, лежащей в зеленой области спектра, и составляет 680 лм/Вт (1 Вт мощности излучения эквивалентен световому потоку 680 лм). Излучающий прибор, который всю свою энергию отдает только в виде. излучения с %=555 нм, обладает наибольшей (с точки зрения глаза человека) яркостью и экономичностью при использовании СИД для визуального отображения информации. Очевидно, СИД из арсенида галлия (GaAs) непригодны для визуальной индикации (см. рис. 8.10).

Яркость излучения определяется как сила света, отнесенная к видимой площади излучателя (кд/м). Из особенностей фотометрических единиц вытекает, что СИД с %=650 нм (красный свет) и СИД с %=555 нм (зеленый свет) при одинаковой мощности излучения (например, 1 Вт), и равными поверхностями свечения (например, 1 мм) имеют разные яркости. Яркость СИД зеленого цвета свечения в 10 раз больше, чем яркость красного (их световые потоки соответственно 680 и 68 кд), что явилось следствием спада спектральной характеристики видности в сторону как малых, так и больших длин волн (от максимума при %=555 нм).

Область применения. ЦЗИ на основе СИД используются в качестве знаковых индикаторов шкал измерительных приборов, микрокалькуляторов, электронных наручных часов, устройств аналоговой и цифровой информации. Примерами СИД для визуальной индикации служат приборы АЛ304А-Г, АЛ306А-Ж, АЛ323А-5, позволяющие воспроизвести цифровую и буквенную информацию.

§ 8.7. Инжекционные лазеры и оптроны

Полупроводниковые лазеры представляют собой полупроводниковые приборы, непосредственно преобразующие электрическую энергию или энергию некогерентного излучения в энергию когерентного излучения (с неизменными частотой и разностью фаз).

Принцип действия. В полупроводниковых лазерах излучение возникает при вынужденной (стимулированной) рекомбинации носителей заряда в отличие от самопроизвольного (спонтанного) процесса рекомбинации (и излучения) в светоизлучающих диодах. Стимулированная фотонная рекомбинация сопровождается когерентным излучением с заданной длиной волны. Явление вынужденной рекомбинации позволяет с помощью электромагнитных