Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

Ш2

ш1.5

1Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ

1Московский Государственный Институт Электроники и Математики

1Факультет Электронной Техники

1Кафедра - Материаловедение

1электронной техники

1РЕФЕРАТ

1на тему 3 Материалы оптоэлектроники.

3Полупроводниковые светоизлучающие структуры. 0

1Выполнил студент группы И-41

1Офров С.Г

1Руководитель Петров В.С.

1Реферат защищён с оценкой _________

_____________________________

(подпись преподавателя, дата)

1Москва 1994

ш0

- 1 -

Материалы оптоэлектроники.

Полупроводниковые светоизлучающие структуры.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.

1.1. Предмет оптоэлектроники.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники,

занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма),

переработки (преобразования), запоминания и хранения информации

на основе использования двойных (электрических и оптических) ме-

тодов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор,

чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфра-

красной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и

преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же

спектральных областях; или прибор, использующий такое электро-

магнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлек-

тронных приборов и устройств или такая их структура (в случае

использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализа-

цию с применением методов современной интегральной техники в

микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника ба-

зируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники,

среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая элек-

троника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и техно-

логия, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, во-

локонная оптика.

- 2 -

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связа-

ны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с

электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим

обуславливаются их основные достоинства:

1. Высокая информационная ёмкость оптического канала.

2. Острая направленность излучения.

3. Возможность двойной модуляции светового луча - не только

временной, но и пространственной.

4. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей.

5. Возможность простого оперирования со зрительно восприни-

маемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными

приборами очень широкие возможности применения в качестве эле-

ментов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем са-

мым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в

комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.

Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники

служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводи-

тельных вычислительных комплексов, запоминающих устройств ги-

гантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телеви-

дения и инфравидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет

источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую

очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить

на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным

(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использо-

ванием когерентного или некогерентного света обычно резко отли-

чаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

- 3 -

Всё это оправдывает использование таких терминов как "коге-

рентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Ес-

тественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия

между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия опти-

ческого квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то

же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распростране-

ние светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, уст-

ройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектро-

ники.

1.2. Генерация света.

Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, дли-

ны которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон за-

мечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется

корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующие

ей частота колебаний и длина волны света связаны следующими со-

отношениями:

ш1 7

7n 0[Гц] = 3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2

7e 4ф 0[эВ] = 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2

ш0

При известной удельной мощности P плотность фотонного пото-

ка N определяется выражением

N[м 5-2 0с 5-1 0] = 5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].

Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому из-

лучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения

- 4 -

нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так на-

зываемого абсолютно чёрного тела имеет вид

f( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0)) - 1] 5-1 0,

где h, c, k - известные универсальные константы; T - абсолютная

температура. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К)

часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".

Люминесценция представляет собой излучение, характеризующе-

еся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового из-

лучения при данной температуре ("холодное" свечение).

Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде

дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они

занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт

энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов пе-

реходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение

этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испус-

канием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

ш1

1,23

7l 0 = ───────────── [мкм]

(E 42 0 - E 41 0)[эВ]

ш0

Физика люминесценции предопределяет две примечательные осо-

бенности процесса: узкий спектр излучения и возможность исполь-

зования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике

главным образом используются электролюминесценция (пробой и ин-

жекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодо-

люминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет диф-

ракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в

- 5 -

частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы

параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходи-

мости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).

Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем

соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых

потоков не может превысить 7 l 5-2 0.

В веществе с показателем преломления n скорость распростра-

нения светового луча становится c/n, а поскольку величина n за-

висит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то

это обуславливает дисперсию.

1.3. Источники излучения.

Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучате-

лей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах

(некогерентное излучение).

В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые,

твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового

наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монох-

роматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую на-

правленность и, в конечном счёте, когерентность излучения. В то

же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки

газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ

как универсальный оптоэлектронный элемент.

Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обус-

лавливают перспективность применения этих генераторов в дально-

действующих волоконнооптических линиях связи.

Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных приме-

- 6 -

нений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому

к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте уп-

равления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного

полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий

слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов

того же материала, но с большими значениями концентраций алюми-

ния и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В

роли резонатора может также выступать поверхностная дифракцион-

ная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической об-

ратной связи.

Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупровод-

никовые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминес-

центные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в ре-

зультате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход

электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высве-

чивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меня-

ется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, си-

ний (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и

пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышь-

яком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92

мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют макси-

мальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые раз-

меры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-

родействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5

В) и токи (10...100 мА).

- 7 -

ш1.5

Л+

Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.

╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗

║ Полупро- │ 4o 0 5 0│ Цвет │Эффектив-│ Быстродействие, ║

║ водник │ 7l 0,A │ │ность, % │ нс ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ GaAs │ 9500 │ ИК │ 12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║

║ │ 9000 │ │ 2 │ 10 5-9 0...10 5-8 0 ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ GaP │ 6900 │ Красный │ 7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║

║ │ 5500 │ Зелёный │ 0,7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ GaN │ 5200 │ Зелёный │ 0,01 │ ║

║ │ 4400 │ Голубой │ 0,005 │ ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ GaAs 41-x 0P 4x 0 │ 6600 │ Красный │ 0,5 │ 3 77 010 5-8 0 ║

║ │ 6100 │ Янтарный │ 0,04 │ 3 77 010 5-8 0 ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ Ga 41-x 0Al 4x 0As │ 8000 │ ИК │ 12 │ 10 5-8 0 ║

║ │ 6750 │ Красный │ 1,3 │ 3 77 010 5-8 0 ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ │ 6590 │ Красный │ 0,2 │ ║

║ In 41-x 0Ga 4x 0P │ 6170 │ Янтарный │ 0,1 │ ║

║ │ 5700 │ Желто- │ 0,02 │ ║

║ │ │ зелёный │ │ ║

╚════════════╧══════╧══════════╧═════════╧═════════════════╝

ш0

Л-

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порош-

ковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной

прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор

на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под

действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие

светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров

(от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных

метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из

- 8 -

них знако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, кар-

ты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации

широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция -

свечение люминофора под действием электронного луча. Такие ис-

точники излучения представляют собой электровакуумную лампу,

анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зе-

лёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим

полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, боль-

шие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию

удобной для различных применений в оптоэлектронике.

2. СВЕТОДИОДЫ.

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэ-

лектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты

и масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок

службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10 54 0...10 55 0 ч),

высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам

(10 5-9 0...10 5-5 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая

потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения из-

лучения заданного спектрального состава (от синего до красного в

видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они

используются в качестве источника излучения для управления фо-

топриёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной ин-

формации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в

компьютерах и пр.

Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход,

- 9 -

прохождение тока через который в прямом направлении сопровожда-

ется генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является

следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектиро-

ванных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока

(электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люми-

несценция - испускание света веществом, не требующее для этого

нагрева вещества; инжекционная электролюминесценция означает,

что люминесценция стимулирована электрическим током).

Электролюминесценция может быть вызвана также сильным

электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конден-

саторов с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробой-

ная электролюминесценция Дестрио).

Светодиоды для видимого и ближнего инфракрасного излучения

изготавливаются главным образом из монокристаллов материалов ти-

па A 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соеди-

нений: GaAs 41-x 0P 4x 0 , Ga 41-x 0Al 4x 0As , где x - доля содержания того или

другого элемента в соединении.

Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно

легируются соответствующими примесями или их состав сильно варь-

ируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия ле-

гируется цинком и кислородом, для получения зелёного - азотом.

Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39 , то светодиод излучает красный свет с

7l 0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.

Из простого соотношения, связывающего длину волны излучения

с шириной запрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ]

следует, что видимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от

широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72

эВ. У арсенида галия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэто-

- 10 -

му светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное

излучение с 7l 0=900 нм. У фосфида галия 7e 0=2,19 эВ. Он может уже

излучать видимый свет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует

желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энер-

гии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью

(или к.п.д.).

ш1

число эмиттированных квантов света

7h 0 = ──────────────────────────────────────────

число инжектированных неосновных носителей

ш0

Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинс-

тве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что

свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значе-

нии коэффициентов преломления используемых поводников (для арсе-

нида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекобинаци-

онного излучения отражается от границы раздела полупровод-

ник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём,

превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яр-

кости светодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0,

I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этим параметрам они ус-

тупают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.

Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У не-

го отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него

нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева и микро-

фонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.

Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в преде-

лах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по срав-

нению со случаем применения фильтров для монохроматизации излу-

чения немонохроматического источника.

- 11 -

2.1. Конструкция светодиодов.

В излучателе плоской конструкции (рис.1,а) излучающий пере-

ход выполнен или диффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями

показаны лучи, которые из-за полного внутреннего отражения от

границы раздела не выходят из кристалла. Из кристалла выходят

только те лучи, которые с нормалью составляют угол 7Q, 0arcsin

n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у

вершины не более 35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и

простой. Однако она наименее эффективна, ей соответствует узкая

диаграмма направленности излучения (рис. 2).

Геометрические размеры полусферической конструкции светоди-

ода (рис. 1,б) таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излу-

чение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нор-

малью, и полностью выходит наружу. Эффективность полусферической

конструкции - самая высокая. Она примерно в десять раз превышает

эффективность плоской конструкции. Однако она намного дороже и

сложнее в изготовлении.

Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпок-

сидной смолы, выполняющей роль линзы (рис. 1,в). Смола имеет ко-

эффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.

Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.

В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения све-

тодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов вы-

полняется такой конструкции.

Принципиальное устройство светодиода показано на рис. 3.

Светодиоды могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их раз-

меры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

- 12 -

2.2. Свойства светодиодов.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична

вольт-амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто

возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопро-

тивление мало и не превышает нескольких ом. Обратные напряжения

невелики (3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитан на значительные

обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять

соответствующих мер защиты. Если светодиод должен работать от

сети переменного тока, то последовательно с ним включается крем-

ниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В стати-

ческом режиме номинальный ток в зависимости от типа светодиода

лежит в пределах от 5...10 мА до 100 мА.

Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения

практически линейно зависит от тока через диод в широком диапа-

зоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - свето-

диоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости

(рис. 4). Это необходимо иметь в виду, когда светодиод использу-

ется в импульсном режиме для получения больших выходных яркостей.

При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом

температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение

температуры по сравнению с комнатной на 20 5o 0 уменьшает их яркость

примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокра-

щается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы

хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокраща-

ется до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с уве-

личением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его мак-

симально допустимым паспортным значением не рекомендуется.

- 13 -

Спектральный состав излучения светодиодов определяется ма-

териалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.

Сравнительные спектральные характеристики для основных материа-

лов приведены на рис. 5, а в табл. 2 даны основные параметры не-

которых промышленных типов светодиодов.

ш1

Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов.

╔════════╤══════════╤═════════╤══════════════╤═════════════════╗

║ │ │ │ Входные │ Выходные ║

║ │ │ │ параметры │ параметры ║

║ Тип │ Материал │ Цвет ├───────┬──────┼─────────┬───────╢

║ │ │ 7l 0, нм │ │ │ P, мВт │ L 4v 0, ║

║ │ │ │ I, мА │ U, В │ ─────── │ кд/м 52 0 ║

║ │ │ │ │ │ I 4v 0, мкд │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ красный │ │ │ │ ║

║ АЛ102А │ GaP │ ─────── │ 5 │ 3,2 │ ──── │ 5 ║

║ │ │ 700 │ │ │ │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ зелёный │ │ │ │ ║

║ АЛ102Д │ GaP │ ─────── │ 20 │ 2,8 │ ──── │ 40 ║

║ │ │ 556 │ │ │ │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ жёлтый │ │ │ │ ║

║ FLV450 │ GaP │ ─────── │ 20 │ 2 │ ──── │ ║

║ │ │ 570 │ │ │ 3,2 │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ зелёный │ │ │ │ ║

║ FLV350 │ GaP │ ─────── │ 20 │ 2 │ ──── │ ║

║ │ │ 560 │ │ │ 3,2 │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ красный │ │ │ │ ║

║ FLV250 │ GaP │ ─────── │ 10 │ 2 │ ──── │ ║

║ │ │ 700 │ │ │ 3 │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ красный │ │ │ │ ║

║ FK510 │ GaAsP │ ─────── │ 20 │ 1,6 │ ──── │ ║

║ │ │ 660 │ │ │ 2 │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ красный │ │ │ │ ║

║ TIL210 │ GaAsP │ ─────── │ 50 │ 1,8 │ │ 2400 ║

║ │ │ 670 │ │ │ │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ красный │ │ │ │ ║

║ АЛ307А │ GaAlAs │ ─────── │ 1 │ 2 │ ──── │ ║

║ │ │ 700 │ │ │ 0,15 │ ║

╙────────┴──────────┴─────────┴───────┴──────┴─────────┴───────╜

- 14 -

╓────────┬──────────┬─────────┬───────┬──────┬─────────┬───────╖

║ │ │ красный │ │ │ │ ║

║ АЛ307Б │ GaAlAs │ ─────── │ 1 │ 2 │ ──── │ ║

║ │ │ 700 │ │ │ 0,6 │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ │ │ │ 6 │ ║

║ АЛ107А │ GaAs │ 920 │ 100 │ 2 │ ──── │ ║

║ │ │ │ │ │ │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ │ │ │ 1 │ ║

║ ЗЛ103А │ GaAs │ 900 │ 50 │ 1,6 │ ──── │ ║

║ │ │ │ │ │ │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ │ │ │ 2 │ ║

║ TIXL05 │ GaAs │ 900 │ 750 │ 1,8 │ ──── │ ║

║ │ │ │ │ │ │ ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║ │ │ │ │ │ 0,05 │ ║

║ TIL01 │ GaAs │ 900 │ 50 │ 1,3 │ ──── │ ║

║ │ │ │ │ │ │ ║

╚════════╧══════════╧═════════╧═══════╧══════╧═════════╧═══════╝

ш0

3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.

В рассмотренных до сих пор светодиодах для получения раз-

личного цвета излучения необходимо было использовать различные

полупроводниковые материалы. Однако можно создать монолитные

структуры на основе светодиодов, которые в зависимости от их

включения или соотношения токов в них будут излучать в различных

спектральных областях (рис. 6). Проще всего такие структуры реа-

лизуются на фосфиде галия, который в зависимости от введённых в

него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для это-

го на кристалле фосфида галия создают два pn-перехода, один из

которых излучает красный, а другой зелёный свет. При смешивании

обоих обоих цветов получается жёлтый цвет.

Используя три вывода от структуры, можно отдельно управлять

обеими полупроводниковыми системами. Когда оба основных цвета

(красный и зелёный) излучаются одновременно, человеческий глаз

- 15 -

воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так

же путём изменения величины тока, текущего через элементы свето-

диода, удаётся изменять цвет излучения от жёлто-зелёного до

красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелё-

ное - находятся на краях цветовой шкалы. Когда требуется полу-

чить излучение определённого цветового восприятия, лежащее в

данной цветовой области, необходимо перед кристаллом GaP распо-

ложить соответствующие фильтры, слабо поглощающие красные и зе-

лёные лучи.

Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпози-

ционных (красный - жёлтый - зелёный - выключенное состояние)

сигнализаторов. Они находят применение в многоцветных буквенных

и цифровых индикаторах, а также в цветоаналоговых сигнализато-

рах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую

электронику, с их помощью можно контролировть степень зарядки

батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использо-

вать в качестве оптических индикаторов скорости.

4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.

Для миниатюрных устройств отображения информации широко ис-

пользуются светодиоды на основе арсенида-фосфида галия (GaAsP),

галия-алюминия-арсенида (GaAlAs), а также фосфида галия (GaP).

Все они высвечивают в видимой области спектра, характиризуются

большой яркостью, большим быстродействием и большим сроком

службы.

Для изготовления светодиодов, цифровых и цифро-буквенных

дисплеев из таких материалов используются технологические мето-

- 16 -

ды, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зави-

симости от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по

монолитной,так и по гибридной технологии. В первом случае это

интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупровод-

никовом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то мо-

нолитные индикаторы - индикаторы малых размеров. Во втором слу-

чае излучающая часть индикатора представляет собой сборку диск-

ретных светодиодов на миниатюрной печатной плате. Гибридный ва-

риант является основным для для средних и больших светодиодных

индикаторов.

Для светодиодных индикаторов разработаны и стандартизованы

схемы управления и согласования на серийных интегральных схемах,

что упрощает их схемотехнику и расширяет области применения.

Размеры рабочего кристалла светодиода малы (400 7& 0400 мкм).

Излучающий кристалл - это светящаяся точка. Для того же, чтобы

хорошо различать символы и цифры, их размеры не должны быть ме-

нее 3 мм. Для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла в

дисплее применяют линзы, рефлекторы, фоконы. Размеры знаков - от

3 до 1,5 мм и от 25 до 50 мм, что позволяет визуально контроли-

ровать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.

Индикаторы на светодиодах изготовляются двух типов: сег-

ментные (цифровые) и матричные (универсальные). Семисегментный

индикатор позволяет воспроизводить все десять цифр (и точку) и

некоторые буквы. Матричный индикатор содержит 7 7& 05 светодиодов

(светящихся точек) и позволяет воспроизводить все цифры, буквы и

знаки стандартного кода для обмена информацией.

Оба типа индикаторов могут выполняться как одноразрядными,

- 17 -

так и многоразрядными, что позволяет создавать на их основе сис-

темы отображения различной сложности.

- 18 -

Литература.

1. Нососв Ю.Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и

устройства. М. 1978.

2. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической авто-

матики. М. 1979.

Оглавление.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ. 1

1.1. Предмет оптоэлектроники. 1

1.2. Генерация света. 3

1.3. Источники излучения. 5

2. СВЕТОДИОДЫ. 8

2.1. Конструкция светодиодов. 11

2.2. Свойства светодиодов. 12

3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ. 14

4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ. 15