Содержание 

 

      ВВЕДЕНИЕ

 

     Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) или  светодиоды - это класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе их действия лежит инжекционная электролюминесценция, эффективная в соединениях типа А^IIIВ^V. Так же светодиоды решают задачу преобразования электрических сигналов в оптические, служат эффективными по КПД источниками света.

     На  сегодняшний день СИД активно  применяются в различных областях: оптоэлектроника, системы отображения  информации (как табло «бегущих»  строк текста, так и достаточно качественных панелей вывода статичного и динамического изображений). Круг задач, при решении которых используются светодиоды, обусловлен высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую (15-20 лм/Вт, лампы накаливания – 10-15 лм/Вт), высокой яркостью и квантовым выходом (при небольшой площади СИД сила света по оси – 30-50 кд), высоким быстродействием (малая инерционность – порядка единиц наносекунд), характерным спектральным составом, возможностью модуляции излучения питанием, малым потреблением энергии (доли или единицы ватт), электробезопасностью (единицы вольт), надежностью, большим сроком службы (десятки тысяч часов), высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

     Первые  явления, связанные с появлением светодиодов, были обнаружены Лосевым  О.В. в 1923 г. Активное развитие технологии изготовления СИД с различными параметрами продолжается и сегодня.

     Кроме вышеперечисленных сфер СИД задействованы  в освещении. Применение СИД для  освещения обусловлено, как указывалось  выше, высоким КПД преобразования энергии, надёжностью конструкции, хорошо развитой на сегодняшней день технологией изготовления СИД с различными параметрами свечения.

     Как и практически любой источник излучения, СИД функционирует совместно  с оптической системой, формирующей  требуемую кривую силы света (КСС).

     Огромный  интерес, проявляемый к светоизлучающим  диодам специалистами в области  радиоэлектроники, отображения информации, оптоэлектроники, обусловлен их замечательными характеристиками: высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую, высоким быстродействием, малым потреблением энергии, надежностью, большим сроком службы, высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

 

      1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

     1.1 Светоизлучающиие диоды

     1.1.1 Области применения и требования к приборам

     Светоизлучающий диод состоит из кристалла полупроводника с электронно-дырочным переходом  и омическими контактами и элементов  конструкции, предназначенных для  сбора излучения, увеличения внешней  оптической эффективности, улучшения восприятия свечения и формирования необходимой диаграммы направленности излучения, а также обеспечения электрического контактирования с внешней цепью и удобного монтажа прибора в аппаратуре. Таким образом, светоизлучающий диод - прибор, в котором осуществляется не только генерация света, но и перераспределение его в пространстве. 

       

     Рисунок 1.1 – Схематическое изображение  светодиода 

     Требования  к устройству и характеристикам  светоизлучающих диодов определяются областями их применения:

1. Сигнальная индикация;
2. Подсветка постоянных надписей, меток на экране, шкалах;
3. Отображение шкальной информации в бесстрелочных измерительных приборах;
4. Разнообразные функциональные применения - маркировка фотопленок, контроль быстродействующих ФЭУ и т. п.

     При рассмотрении применения светоизлучающих  диодов в качестве сигнальных индикаторов  различают панельную и внутрисхемную  индикацию. К светоизлучающим диодам для панельной индикации предъявляются  следующие требования:

     а) сила света, как правило, должна превышать 1 мкд, причем яркость светоизлучающего диода должна превосходить яркость выключенного диода и яркость фона при максимально допустимой внешней освещенности;

     б) площадь светящейся поверхности  должна быть достаточна для уверенного восприятия сигнала: при наблюдении с близкого расстояния (0,5-1м) она должна быть не менее 1-3 мм², при наблюдении с большего расстояния - не менее 8-10 мм²;

     в) диаграмма направленности излучения  должна быть достаточно широкой (угол излучения, как правило, должен превышать 50 °);

     г) светоизлучающие диоды должны изготавливаться, по крайней мере, трех цветов свечения: красного, зеленого и желтого; желательно расширение цветности;

     д) конструкция диодов должна иметь  высокое отношение диаметра (поперечного  размера) светящейся поверхности к наружному диаметру (размеру) прибора для обеспечения плотного монтажа диодов на панели.

     Особенность применения светоизлучающих диодов для внутрисхемной индикации  заключается в том, что они  в этом случае наблюдаются с близкого расстояния (около 0,5 м) и монтируются, в основном, на печатной плате, включая ее торец. В связи с этим для внутрисхемной индикации могут использоваться диоды с малой площадью светящейся поверхности. Выводы диодов должны быть удобны для распайки на печатной плате. [7].

     К светоизлучающим диодам, применяемым  для подсветки, предъявляются требования большей силы света - десятки милликандел. При этом допустимо сужение диаграммы направленности излучения до 5-25°. Для отображения цифро-буквенной и графической информации на экранах, собранных из дискретных приборов, могут применяться широкоугольные светоизлучающие диоды, например используемые для панельной индикации. Для отображения шкальной информации используются миниатюрные светоизлучающие диоды и линейки из них. К этим приборам предъявляются требования широкого угла излучения и возможности бесшовной стыковки в линию.

     В разнообразных фотоэлектрических  устройствах и малоразмерных  табло применяют бескорпусные светоизлучающие  диоды. К ним предъявляют требования миниатюрности и наличия выводов, пригодных для монтажа методами микротехнологии.

     Ко  всем видам светоизлучающих диодов предъявляют следующие 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.

     1.1.2 Светоизлучающий кристалл

     Для изготовления светоизлучающих кристаллов используют эпитаксиальные структуры. Выбор вида эпитаксиальных структур определяется назначением диода и основными характеристиками кристаллов на основе рассматриваемых структур.

     Для получения максимальной силы излучения  предпочтительны структуры Ga_0,7Al_0,3As, GaP: Zn, О. Следует иметь в виду, что кристаллы на основе структур с прозрачной подложкой, например структур на GaP-подложке, имеют значительное боковое излучение, что позволяет при его сборе и использовании существенно увеличить силу света и силу излучения.

     В производстве светоизлучающих диодов используются кристаллы весьма малых. Это вызывается следующими обстоятельствами: высокой стоимостью и дефицитностью исходных материалов; повышением квантового выхода излучения с увеличением плотности тока для большинства материалов; повышением эффективности оптической системы светоизлучающего диода для сбора и преобразования излучения при уменьшении размера кристалла; возможностью получить светящееся пятно необходимых размеров за счет различных конструктивных решений по прибору в целом.

     Ограничивающие  факторы в уменьшении размера  кристалла: возрастающие трудности  сборки, особенно автоматизированной, и деградация оптических характеристик приборов в процессе работы. В связи с изложенным, в настоящее время кристалл светоизлучающих диодов в большинстве случаев имеет размер грани от 0,35 до 0,5 мм.

     Омические контакты к кристаллам изготавливают методами тонкопленочной технологии. Тонкий слой контактного металла более теплопроводен и электропроводен, чем толстый, вызывает меньшие механические напряжения в кристалле и позволяет скалывать или вырезать кристалл вместе с контактным металлом. Одновременно контакты в виде плоских пленок позволяют применить высокопроизводительную технологию приварки гибкого вывода и пайки кристаллов на кристаллодержатель с использованием современного микросборочного оборудования. [1].

     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. Для достижения последней цели применяют также дополнительное поверхностное легирование структуры, например методом диффузии. Равномерное растекание тока по площади р-n-перехода улучшает стабильность диодов в процессе работы и вывод излучения из кристалла.

     Нижний  контакт может быть сплошным, если подложка непрозрачна для генерируемого  излучения, и может быть отражающим свет для кристаллов с прозрачной подложкой. Во втором случае площадь  омических контактов должна быть, с одной стороны, минимальной для обеспечения максимальной доли отраженного света, а с другой стороны, достаточной для обеспечения необходимого теплоотвода от кристалла и необходимой величины прямого напряжения.

     Отражение света отражающим нижним контактом основано на эффекте полного внутреннего отражения света, падающего на границу раздела полупроводник-диэлектрик под углом, большим критического. Отраженный от нижней грани свет повторно падает на верхнюю или боковые грани кристалла и увеличивает долю выводимого из кристалла света. Этот процесс может повторяться несколько раз.

     В последнее время изготавливают  также кристаллы с мезаструктурой на основе высокоэффективных жидкостно-эпитаксиальнйх структур со сплошным р-n-переходом. Достоинства таких кристаллов следующие:

     1) для структур с сверхлинейной  зависимостью квантового выхода  излучения от плотности тока (например, GaP : N) применение мезаструктур позволяет  увеличить плотность тока и,  тем самым, эффективность приборов;

     2) уменьшение размеров светящейся области кристалла повышает эффективность оптической системы диода и, тем самым, эффективность прибора в целом;

     3) увеличение плотности тока способствует  повышению эффективности диодов  при малых токах питания, что  позволяет применять их в устройствах с батарейным питанием;

     4) расширяется диапазон токов, в  котором наблюдается линейная  зависимость мощности излучения  от тока, что позволяет использовать  светоизлучающие диоды в аналоговых  оптоэлектронных устройствах; 

     5) наличие травленой поверхности в месте выхода р-n-перехода наружу и отсутствие разрушенного резкой слоя повышает стабильность и надежность приборов в эксплуатации;

     6) снижается трудоемкость монтажа  кристаллов на держатель благодаря  применению кристаллов приемлемых  размеров.

     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. Увеличение силы света обусловлено характерной для GaP : N зависимостью h»Jⁿ, где J - плотность тока; n»l,5.

     Получают  некоторое развитие также кристаллы  с планарной структурой на основе жидкостно-эпитаксиальных структур со сплошным р-n-переходом, получаемые разделительной диффузией цинка (например, на основе Ga_1-xAl_xAs гетероструктур р⁺-р-n-типа). Достоинства приборов на основе таких планарных кристаллов - высокая эффективность, а также стабильность и надежность в процессе эксплуатации. По-видимому, применение жидкостно-эпитаксиальных кристаллов с мезаструктурой или планарным р-n-переходом в дальнейшем будет расширяться для создания приборов с повышенной эффективностью и надежностью.