Спектральные характеристики светоизлучающих диодов

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего  профессионального образования

Сибирская Государственная Геодезическая  Академия

(ГОУ  ВПО «СГГА»)

Институт  оптики и оптических технологий 
 
 

РЕФЕРАТ

на тему:

«Спектральные характеристики СИД» 
 

                                                                                         Студентки Молчановой Дарьи

                                                                  Группа ОЗИ-21

                                                                                 Проверил  Рахимов Н.Р. 
 
 
 

Новосибирск 2009

Содержание

Введение……………………………………………3

1.Светоизлучающие диоды…………………………5

     1.1 Определение…………………………………5

     1.2 Особенности…………………………………7

2.Спектральные характеристики СИД…………….8

3.Применение СИД…………………………………12

Заключение………………………………………..14

Список используемых источников………………15 

Введение

     Необходимость дальнейшего освоения оптического  диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время  методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом  принципиальных обстоятельств.

     Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~10¹⁵ — 10¹³ Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомню, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Δυ≈5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ=1 м υ₀=300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при этом же отношении Δυ/υ₀ это число возрастает в миллионы раз.

     Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет  получить высокую концентрацию оптического  излучения в пространстве, поскольку  минимальный объем, в котором  можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры  порядка длины волны. Размеры  волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также  должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько  порядков) размерами по сравнению  с СВЧ-волноводами. И наконец, в  оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ=1 м) потребовалась бы антенна  диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию  такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны.

     Передача  информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые  служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между  собой и с внешним электрическим  и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж», исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так  как фотон в оптоэлектронных  системах является основным носителем  информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также  фотоникой.

 

1.Светоизлучающие  диоды

1.1 Определение 

                                

            Светодиод или светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Как и в любом  полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые  материалы эффективно испускают  свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (т.е. таким, в которых разрешены  прямые оптические переходы зона-зона), типа A^IIIB^V(например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета ( GaN) до среднего инфракрасного диапазона ( PbS).

Диоды, сделанные  из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида  кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием  кремниевой технологии, активно ведутся  работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее времябольшие надежды связываются с технологией  квантовых точек и фотонных кристаллов.

Светодиоды используются в сигнальных и осветительных  приборах, например, в «твердотельных лампах». 

 
 

 

1.2 Особенности светодиодов

По сравнению  с другими электрическими источниками  света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие  отличия:

-  Высокий  КПД. Современные светодиоды уступают  по этому параметру только  люминесцентной лампе с холодным  катодом.

-   Высокая  механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных  чувствительных составляющих).

-  Длительный  срок службы. Но и он не бесконечен  – при длительной работе и/или  плохои охлаждении происходит  «отравление» кристалла и постепенное  падение яркости.

-  Специфический  спектральный состав излучения.  Спектр довольно узкий. Для  нужд индикации и передачи  данных это – достоинство,  но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только  лазер.

-  Малая инерционность.

-  Малый угол  излучения – также может быть  как достоинством, так и недостатком.

-  Низкая стоимость.

-  Безопасность  – не требуются высокие напряжения.

-  Нечувствительность  к низким и очень низким  температурам. Однако, высокие температуры  противопоказаны светодиоду, как  и любым полупроводникам. 

 

2. Спектральные характеристики светодиодов

 

     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  λ_max излучения светодиода определяется по формуле: 

       

     где h – постоянная Планка, с – скорость света, E – ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если λ_max 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 ∆λ_0,5, из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.

 

     

     Рис. 6. Спектральные характеристики СИД. 

     Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (∆λ/λ_max<<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(λ)и квантового выхода СИД η(λ) является максимальным, т.е. 

     V(λ) η(λ) =max 

     Этот  максимум достигается при λ=655 нм (рис. 6) — красный цвет излучения.

     У СИД, имеющих более короткие длины  волн излучения (например, с λ_max=565 нм — зеленый цвет. и λ_max=585 нм — желтый цвет), значение η 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(λ) η (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.