Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

яШ2
яш1.5
я1Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ
я1Московский Государственный Институт Электроники и Математики


я1Факультет Электронной Техники

я1Кафедра - Материаловедение
я1электронной техники





я1РЕФЕРАТ


я1на темуя3 Материалы оптоэлектроники.
я3Полупроводниковые светоизлучающие структуры.я0








я1Выполнил студент группы И-41
я1Офров С.Г


я1Руководитель Петров В.С.


я1Реферат защищён с оценкой _________

_____________________________
(подпись преподавателя, дата)


я1Москва 1994
яш0
.
- 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:
яш1я7
я7)
я7nя0[Гц] = 3я77я010я514я0/я7lя0[мкм]я7 2
я78
я7eя4фя0[эВ] = 1,234/я7lя0[мкм]я7 2
я70
яш0
При известной удельной мощности P плотность фотонного пото-
ка N определяется выражением
N[мя5-2я0ся5-1я0] = 5,035я77я010я512я77lя0[мкм]я77я0P[мкВтя77я0мя5-2я0].

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(я7lя0,T) = 2я7p7я0hя77я0cя52я77lя5-5я0[ exp(hc/(kTя7lя0)) - 1]я5-1я0,
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 Eя42я0. Возвращение
этих электронов на равновесный уровень Eя41я0 сопровождается испус-
канием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:
яш1
1,23
я7lя0 = ДДДДДДДДДДДДД [мкм]
(Eя42я0 - Eя41я0)[эВ]
яш0

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 я7fя4Dя0 =я7 lя0/D , где D - апертура (диаметр луча света).
Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем
соизмерим ся7 lя0, а плотность записи информации с помощью световых
потоков не может превыситья7 lя5-2я0.
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 уменьшениемя7 lя0), 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 (0,3я7&я00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-
родействие (10я5-6я0...10я5-9я0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5
В) и токи (10...100 мА).

.
- 7 -

яш1.5
яЛ+
Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.
ЙННННННННННННСННННННСННННННННННСНННННННННСННННННННННННННННН»
є Полупро- і я4oя0 я5 я0і Цвет іЭффектив-і Быстродействие, є
є водник і я7lя0,A і іность, % і нс є
ЗДДДДДДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДД¶
є GaAs і 9500 і ИК і 12; 50я5*я0 і 10я5-7я0...10я5-6я0 є
є і 9000 і і 2 і 10я5-9я0...10я5-8я0 є
ЗДДДДДДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДД¶
є GaP і 6900 і Красный і 7 і 10я5-7я0...10я5-6я0 є
є і 5500 і Зелёный і 0,7 і 10я5-7я0...10я5-6я0 є
ЗДДДДДДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДД¶
є GaN і 5200 і Зелёный і 0,01 і є
є і 4400 і Голубой і 0,005 і є
ЗДДДДДДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДД¶
є GaAsя41-xя0Pя4xя0 і 6600 і Красный і 0,5 і 3я77я010я5-8я0 є
є і 6100 і Янтарный і 0,04 і 3я77я010я5-8я0 є
ЗДДДДДДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДД¶
є Gaя41-xя0Alя4xя0As і 8000 і ИК і 12 і 10я5-8я0 є
є і 6750 і Красный і 1,3 і 3я77я010я5-8я0 є
ЗДДДДДДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДД¶
є і 6590 і Красный і 0,2 і є
є Inя41-xя0Gaя4xя0P і 6170 і Янтарный і 0,1 і є
є і 5700 і Желто- і 0,02 і є
є і і зелёный і і є
ИННННННННННННПННННННПННННННННННПНННННННННПНННННННННННННННННј
яш0
яЛ-

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 ммя52я0 и менее), большой срок
службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10я54я0...10я55я0 ч),
высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам
(10я5-9я0...10я5-5я0 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 Aя5IIIя0Bя5Vя0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соеди-
нений: GaAsя41-xя0Pя4xя0 , Gaя41-xя0Alя4xя0As , 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 GaAsя41-xя0Pя4xя0 x=0,39 , то светодиод излучает красный свет с
я7lя0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный ся7 lя0=610 нм.
Из простого соотношения, связывающего длину волны излучения
с шириной запрещённой зоны полупроводника,я7 lя0[нм] = 1234/я7eя0 [эВ]
следует, что видимое излучение ся7 l,я0720 нм можно получить лишь от
широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоныя7 e.я01,72
эВ. У арсенида галия при комнатной температурея7 eя0=1,38 эВ. Поэто-

- 10 -

му светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное
излучение с я7lя0=900 нм. У фосфида галия я7eя0=2,19 эВ. Он может уже
излучать видимый свет с длиной волныя7 l.я0565 нм, что соответствует
желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энер-
гии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью
(или к.п.д.).
яш1
число эмиттированных квантов света
я7hя0 = ДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
число инжектированных неосновных носителей
яш0

Эффективность светодиодов невеликая7 h,я00,1 (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: Lя4фя0=10...10я53я0 кд/мя52я0,
Iя4фя0=10я5-1я0...10я52я0 мкд, Pя4фя0=10я5-1я0...10я52я0 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-
лахя7 Dlя0=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 я7Q,я0arcsin
nя41я0/nя42я0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у
вершины не более 35я5oя0. 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 Rя7.я0rя77я0(nя42я0/nя41я0). 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 (0,4я7&я00,4 ммя52я0).

- 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 20я5oя0 уменьшает их яркость
примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокра-
щается срок службы светодиодов. Так, если при 25я5oя0C срок службы
хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100я5oя0C 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.

яш1
Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов.
ЙННННННННСННННННННННСНННННННННСННННННННННННННСННННННННННННННННН»
є і і і Входные і Выходные є
є і і і параметры і параметры є
є Тип і Материал і Цвет ГДДДДДДДВДДДДДДЕДДДДДДДДДВДДДДДДД¶
є і і я7lя0, нм і і і P, мВт і Lя4vя0, є
є і і і I, мА і U, В і ДДДДДДД і кд/мя52я0 є
є і і і і і Iя4vя0, мкд і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і красный і і і і є
є АЛ102А і GaP і ДДДДДДД і 5 і 3,2 і ДДДД і 5 є
є і і 700 і і і і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і зелёный і і і і є
є АЛ102Д і GaP і ДДДДДДД і 20 і 2,8 і ДДДД і 40 є
є і і 556 і і і і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і жёлтый і і і і є
є FLV450 і GaP і ДДДДДДД і 20 і 2 і ДДДД і є
є і і 570 і і і 3,2 і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і зелёный і і і і є
є FLV350 і GaP і ДДДДДДД і 20 і 2 і ДДДД і є
є і і 560 і і і 3,2 і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і красный і і і і є
є FLV250 і GaP і ДДДДДДД і 10 і 2 і ДДДД і є
є і і 700 і і і 3 і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і красный і і і і є
є FK510 і GaAsP і ДДДДДДД і 20 і 1,6 і ДДДД і є
є і і 660 і і і 2 і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і красный і і і і є
є TIL210 і GaAsP і ДДДДДДД і 50 і 1,8 і і 2400 є
є і і 670 і і і і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і красный і і і і є
є АЛ307А і GaAlAs і ДДДДДДД і 1 і 2 і ДДДД і є
є і і 700 і і і 0,15 і є
УДДДДДДДДБДДДДДДДДДДБДДДДДДДДДБДДДДДДДБДДДДДДБДДДДДДДДДБДДДДДДДЅ
.
- 14 -

ЦДДДДДДДДВДДДДДДДДДДВДДДДДДДДДВДДДДДДДВДДДДДДВДДДДДДДДДВДДДДДДД·
є і і красный і і і і є
є АЛ307Б і GaAlAs і ДДДДДДД і 1 і 2 і ДДДД і є
є і і 700 і і і 0,6 і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і і і і 6 і є
є АЛ107А і GaAs і 920 і 100 і 2 і ДДДД і є
є і і і і і і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і і і і 1 і є
є ЗЛ103А і GaAs і 900 і 50 і 1,6 і ДДДД і є
є і і і і і і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і і і і 2 і є
є TIXL05 і GaAs і 900 і 750 і 1,8 і ДДДД і є
є і і і і і і є
ЗДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДДЕДДДДДДЕДДДДДДДДДЕДДДДДДД¶
є і і і і і 0,05 і є
є TIL01 і GaAs і 900 і 50 і 1,3 і ДДДД і є
є і і і і і і є
ИННННННННПННННННННННПНННННННННПНННННННПННННННПНННННННННПНННННННј
яш0

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 (400я7&я0400 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 7я7&я05 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