Расчёт и проетирование светодиода

     Максимальная  плотность тока через p-n-переход c зеленым свечением составляет 5,5 , через р-n-переход с красным свечением-9,0 . Омический контакт к верхней p-области занимает примерно 20 % ее площади, а контакт к нижней р-области примерно 40% площади нижней грани. Омический контакт к базовой n-области выполнен сплошным и непрозрачным, как для улучшения цветовой характеристики прибора, так и для повышения надежности получения низкоомного омического контакта к n-GаР.

     Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке ватт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление (стимулированное излучение). Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока (при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА/см²). Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

     В ряде случаев в качестве управляемых  источников света применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие.

     При когерентном излучении все частицы  излучают согласованно (вынужденное стимулированное излучение) и синфазно с колебаниями, установившимися в резонаторе. Для обычных светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.

     Стимулированное излучение возникает при высокой  концентрации инжектированных в  полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер (площадь поперечного сечения 0,5-2 мкм², протяженность зоны 300-500 мкм) и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления, чем у окружающей ее среды. В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями (полупрозрачными зеркалами, получающимися при сколе кристалла). Он выполняет роль резонатора.

     При токе инжекции, меньшем порогового значения (Іпор) наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном светодиоде. При увеличении тока до Іпор (Іпор > 50-150 мА) и выше возникает стимулированное излучение и наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности, например с 5 мкВт/мА, характерной для спонтанного излучения, до 200 мкВт/мА. Благодаря тому что фотоны, появившиеся в процессе рекомбинаций, многократно проходят через световод, отражаясь от зеркальных граней, прежде чем им удается выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало, наблюдается монохроматичность и когерентность излучения.

     Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет  эллипсоидную форму. Угол расходимости светового пучка около 20-50°.

     Полупроводниковые лазеры широко применяются при создании световодных линий связи большой протяженности и в измерительных устройствах различного назначения.

     Конструктивно диод выполнен в полимерной герметизации на основе металлостеклянной ножки, содержащей отражающую свет коническую поверхность, что позволяет использовать боковое излучение и увеличить в 2-3 раза силу света. Наличие заглубленного посадочного места облегчает центровку кристалла относительно оптической оси прибора. Высота полимерной линзы определена исходя из необходимости обеспечения заданной диаграммы направленности излучения (угол излучения 35°). Отношение высоты полимерной линзы S к радиусу сферы R выбрано равным 1,7.

     Зависимость силы света от тока для зеленого цвета свечения сверхлинейна, для  красного-сублинейна. Зависимость силы света от температуры для обоих р-n-переходов примерно одинакова. Температурный коэффициент составляет минус (5-8) 10^-3 К^-1.

     Диод  позволяет, управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов: оранжевого, желтого и др.

     В последнее время появились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности, содержащих оба р-n-перехода с одной стороны подложки. Первый р-n-переход (n₁-p₁) излучает красный свет, второй (n₂-р₂) –зеленый.

     1.1.5  Индикаторы состояния

     Ламповые индикаторы имеют широкую область применения. В некоторых случаях они указывают на наличие рабочих условий, например на включение питания в различных приборах или на занятость линии в клавишном телефоне. В других случаях они служат предупреждающими сигналами, например в различных указателях на приборной панели современного автомобиля. Во всех перечисленных случаях необходимо, чтобы наблюдатель сразу замечал момент включения лампы и чтобы включенное и выключенное состояния четко различались. Выполнение первого требования обычно обеспечивается соответствующим оформлением индикатора. а выполнение второго требования - конструкцией самой лампы. Обычно требуется, чтобы свет лампы был приятен для глаз, т. е. чтобы был обеспечен световой комфорт, Точные условия светового комфорта указать трудно; они определяются специальной системой тестов. Для достижения светового комфорта необходима оптимальная комбинация зрительного восприятия, размеров, яркости и контраста. Обычно размеры полупроводникового кристалла выбирают как можно малыми при заданном световом выходе. Типичные габариты кристалла колеблются от 250х250 до 500х500 мкм. Видимый размер лампы определяется диаграммой распределения света рефлектором или рассеиванием света покрытием. Если необходимость в широком угле наблюдения отсутствует, то видимое изображение лампы можно увеличить с помощью пластмассовых линз. Линейное увеличение в зависимости от угла наблюдения дается формулой: 

     Увеличение =[1/(1-cosQ)]1/2.    (1.5) 

     Для многих применений достаточно угла наблюдения 60-90°, что позволяет использовать линейное увеличение в 1,8-2,7 раза и соответственно уменьшить потребляемую мощность в ~2-4 раза.

     Контраст  изображения обычно достигается  добавлением красителя в пластмассовое  покрытие или с помощью внешнего светофильтра. Идеальный светофильтр поглощает свет, падающий на него снаружи, так что выключенная лампа кажется темнее фона. Кроме отсутствия блеска (что будет рассмотрено при обсуждении цифровых индикаторов), основное требование, предъявляемое к светофильтру, состоит в том, чтобы пропускание им окружающего света (за два прохождения через фильтр) было не больше, чем отражение этого света от поверхности, окружающей индикатор.

     Вместе  с тем основная функция светофильтра состоит в усилении светового воздействия лампы в включенном состоянии. Анализ требований к идеальному светофильтру для красных и желто-зеленых светодиодов из GaP можно провести следующим образом. Рассмотрим конструкцию лампы, в которой большая часть излучаемого света отражается от элементов, окружающих светодиод. Такой рефлектор, имеющий коэффициент отражения R(l), отражает также и окружающий свет, попадающий на лампу. Обозначим через Ie(Q, &fi , l ) спектральною силу света лампы на длине волны К в направлении (Q, &fi);тогда световой поток F_vd, излучаемый в направлении наблюдателя, равен:

     Fvd= Iе(l) V(l)R(l) d(l),   (1.6) 

     если  предположить, что свет диода (а также  и окружающий свет) отражается от корпуса  прибора только один раз. При наличии светофильтра со спектром пропускания Т (К) выходящий из лампы световой поток равен: 

     F'_vd= I_е(l) V(l)R(l)T(l)dl   (1.7) 

     Коэффициент пропускания светофильтра для излучения  со спектральной силой I_е(l) определяется выражением: 

     T=F'_vd/F_vd       (1.8) 

     А величина T представляет собой соответственно потери излучения, связанные с фильтром. Для идеального фильтра эти потери сведены до минимума.

     Аналогичным образом можно определить величину Та, которая характеризует вызванное светофильтром ослабление окружающего излучения, отраженного от лампы (учитывая, что окружающий свет проходит через фильтр дважды). Наибольший интерес представляет величина яркостного контраста С между включенным (излучение светодиода и окружающий свет) и выключенным (только окружающий свет) состояниями: 

     С=(F_vd+F"_va)/Ф"_va,     (1.9) 

     где F'_va –световой поток, идущий от лампы в выключенном состоянии (индекс а означает окружающий свет, а два штриха соответствуют двум прохождениям света через фильтр).

     Показатель  качества фильтра h_F можно определить как произведение воспринимаемого светового потока на контраст: 

     h_F=C·F'_vd.      (1.10) 

     Если  предположить, что отражение от корпуса  лампы постоянно во всем видимом  спектре и что F'_vd >> F"_va, то уравнение (1.10) можно записать в виде: 

     h_F=T²/T'_a·F²vd/F_va (1.11) 

     Первый  сомножитель в этом равенстве  является мерой спектральной избирательности  фильтра и называется индексом цветовой корреляции. Для нейтрального светофильтра, для которого Т(l)= const., эта величина равна 1. Таким образом, индекс цветовой корреляции определяется не абсолютным коэффициентом пропускания светофильтра, а спектральной согласованностью фильтра с излучением светодиода и окружающим светом.

     Величины  Т и Т'_a можно легко рассчитать из данных по спектральному коэффициенту пропускания светофильтра. Если имеются образцы светофильтров, то проще всего измерить эти величины непосредственно с помощью фотоприемника, спектральная чувствительность которого совпадает с кривой чувствительности глаза. В этом случае величина Т равна просто отношению токов фотоприемника со светофильтром между диодом и приемником и без светофильтра. Аналогично величина Т'_a равна отношению тока фотоприеминка, когда окружающий cвет попадает на него, пройдя через двойной слой фильтра, к току при непосредственном падении окружающего света на фотоприемник.

     Кроме описанной спектральной избирательности, большое значение имеет общий  “нейтральный” коэффициент ослабления фильтра. Он должен быть подобран так, чтобы обеспечить желаемый контраст при минимальном токе через светодиод. Например, при очень ярком освещении может понадобиться очень плотный фильтр (для уменьшения T'_a даже несмотря на уменьшение пропускания излучения светодиода и соответственно на необходимость повышения тока через диод. Оптимальный фильтр всегда представляет собой компромисс между яркостью индикатора и ослаблением окружающего света.

     Для излучения, приходящегося на край видимой  части спектра (красные светодиоды из GaAs_1-xР_x или GaP: Zn, I), наиболее эффективен красный светофильтр с резким краем полосы пропускания. С другой стороны, для излучения в середине видимой части спектра более эффективен светофильтр с узкой полосой пропускания.

     Кроме выполнения функций светофильтра, пластмассовое  покрытие может также формировать  различные диаграммы направленностн излучения. Ламбертовскую диаграмму направленности, которую имеет открытый свстодиод из прямозонного полунроводника, можно существенно изменить с помощью прозрачных пластмассовых линз; при этом увеличение силы спета в направлении оси линзы за счет уменьшения угла наблюдения равно приблизительно квадрату коэффициента линейного увеличения. Включения частичек материала с высоким показателем преломления, например Si0₂ или TiO₂ приводят к равномерному распределению света по пластмассо-вому покрытию, что увеличивает угол наблюдения и видимые размеры светодиода, но уменьшает аксиальную силу света.

     1.1.6  Индикаторы на светодиодах

     Наиболее  распространенные форматы буквенно-цифровых индикаторов на основе светодиодов  показаны на рисунке 1.4.