Параметры и характеристики светодиодов

К основным параметрам светодиодов относятся:

- яркость В (кд/м²) характеризует свечение светодиода в избранном направлении. Для светодиодов яркость составляет несколько сот кд/м².

Яркость = L ₀ ò V (l) p( l )d l [лм/Вт], (3.11)

 

где L₀ — максимальное значение яркости, равное 680 лм/Вт; V (l) — функция относительной видности глаза; p( l ) — спектр излучения.

 

Рис. 3.12. Оценка яркостного эквивалента излучения

 

- минимальное прямое рабочее, или пороговое, напряжение U _пор светодиода определяется энергией излучаемых фотонов; например, для зеленого света энергия фотона - 2,2 эВ, а пороговое напряжение - 2,4 эВ;

- максимальные рабочее напряжение ограничивается допустимой мощностью рассеяния светодиода. Оно в основном зависит от контактной разности потенциалов p-n -перехода и сопротивления базы. Указанные напряжения определяют и соответствующие токи светодиода;

- постоянные времени нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении светодиодов характеризуют их инерционные свойства. Эти параметры измеряются между значениями яркости, составляющими 0,1 и 0,9 максимальной величины

И другие общеизвестные параметры, такие как: мощность излучения, длительность волны излучаемого света или его цвет, наибольший прямой или импульсный ток, долговечность.

К основным характеристикам светодиодов относятся:

- спектральная характеристика – это зависимость интенсивности светового потока (яркости или мощности, или силы света, или энергии) от длины волны. На рис. 3.13, а представлены спектральные характеристики, дающие зависимость относительной мощности от длины волны излучения, для светодиода из фосфида галлия (кривая 1) и фосфида арсенида галлия (кривая 2);

- яркостная характеристика - это зависимость яркости В от тока через р-n -переход. Вид яркостной характеристики зависит от структуры p-n -перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда.

Рис. 3.13 Спектральная (а) и яркостная (б) характеристики светодиодов

вольт-амперная характеристика I = ¦(U) – совпадает с вольт-амперной характеристикой обычногодиода.

Вопрос 12 – Полупроводниковые лазеры, типы, особенности устройства, основные характеристики.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер – оптический квантовый генератор, активные элементы которого изготавливают из полупроводниковых материалов.

Излучение в полупроводниках характеризуется тем, что в процессе лазерного усиления принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны с конечным количеством уровней: зона проводимости и валентная зона. При этом испускание фотона произойдет только тогда, когда в зоне проводимости имеется электрон, а в валентной зоне — одновременно и дырка.

(4.5)

 

где Т — абсолютная температура;

k — постоянная Больцмана;

Отличительной особенностью полупроводниковых лазеров является то, что в создании инверсной населенности в них участвуют состояния, определенные по всему кристаллу.

Первой важной особенностью полупроводников как лазерных активных материалов является возможность получения исключительно высоких значений коэффициентов усиления с единицы длины. Следствием этого является возможность, а часто — необходимость применения активных элементов исключительно малых размеров.

Второй важной особенностью полупроводников как лазерных материалов является возможность непосредственного преобразования электрической энергии в световую, происходящего при инжекционной электролюминесценции. Эта особенность реализуется только в инжекционных лазерах.

По механизму возбуждения полупроводниковые лазеры разделяют на лазеры с электронной или оптической накачкой и на инжекционные лазеры.

Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой могут быть реализованы в двух геометрических разновидностях: с поперечной и с продольной накачкой. Первая из них представлена нарис. 4.11, а. В этом случае ось оптического резонатора и направление лазерного излучения примерно перпендикулярны направлению электронного пучка накачки. Резонатором служит сам кристалл, боковые грани которого строго параллельны друг другу.

а б

 

Рис. 4.11. Полупроводниковый лазер с поперечной (а) и продольной (б) электронной или оптической накачкой. Активная область заштрихована

В варианте с продольным возбуждением (см. рис. 4.11, б) ось резонатора совпадает с направлением электронного пучка, в этом случае длина активной области определяется глубиной проникновения быстрых электронов. Поэтому для достижения требуемой длины необходимы большие энергии электронов, достигающие 100 кэВ и более. Верхняя граница энергии электроновопределяется возникновением дефектов, ведущих к деградации лазера, а также появлением характеристического рентгеновского излучения.

Полупроводниковые лазеры с поперечной схемой электронной накачки выпускаются промышленностью. Они работают в импульсном режиме с пиковой мощностью до десятков киловатт в сине-зеленой (l _раб = 0,5 мкм, рабочее вещество — сульфид кадмия) и оранжевой (l _раб = 0,62 - 0,63 мкм, рабочее вещество — твердый раствор сульфида-селенида кадмия) областях видимого спектра, то есть в тех областях, которые пока что неосвоены инжекционными лазерами.

Очевидно, что вместо электронной накачки может быть применена оптическая накачка фотонами с энергией hn ³ E _g и сказанное выше в своей основе справедливо дляполупроводникового лазера с оптической накачкой (рис. 4.11). Необходимость острой фокусировки и большой интенсивности возбуждения требует применения для накачки лазера с hn» E _g, так что полупроводниковый лазер с оптической накачкой выполняет скорее функции конвертора лазерного излучения и применяется редко.

Инжекционные лазеры

 

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с р-п -переходом (поэтому часто, как равноправный, используется термин лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через р-п -переход.

активная среда, способная обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения (параллелепипед L x d x W). В данном случае это прямозонные вырожденные полупроводники, главным образом типа А³В⁵, и их твердые растворы (в гетеролазерах вырождение не обязательно). Для изготовления инжекционных лазеров используют арсенид галлия, твердые растворы арсенид-фосфид галлия GaAs_1-xP_х, арсенид индия, фосфид индия и другие полупроводниковые материалы.

механизма возбуждения активной среды (накачки), создающего инверсию населенностей энергетических уровней полупроводника. В данном случае это инжекция носителей заряда р-п -переходом. При некотором смещении реализуется условие инверсии населенностей: вблизи р-п -перехода концентрация электронов на более высоких уровнях оказывается выше, чем на более низких, — полупроводник подготовлен для усиления излучения.

Инверсную населенность в инжекционном лазере с р-п- переходом проще получить, если одна из областей диодной структуры является вырожденной, то есть содержит большую концентрацию соответствующих примесей. При прямом включении р-п -перехода прямой ток состоит из двух составляющих: электронной и дырочной. Чем больший ток проходит через р-п- переход, тем с большим запасом выполняется условие инверсной населенности. Минимальный ток, при котором происходит преимущественно вынужденная рекомбинация, называют пороговым током.

Четвертое условие заключается в обеспечении электрического, электронного и оптического ограничений. Суть электрического ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение — это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде, принятие мер против их «расплывания» в пассивные области.

Итак, для устройства и работы лазера характерны: активная среда, механизм эффективной накачки активной среды; оптический резонатор, электрическое, электронное и оптическое ограничения соответствующих зон возбуждения и возбуждение, превышающее некоторый порог.

Первые инжекционные лазеры были созданы на арсениде галлия. Инжекционный лазер на GaAs изготавливается в форме прямоугольного параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до одного миллиметра (рис. 4.12).

 

 

Рис. 4.12. Конструкция полупроводникового инжекционного лазера

 

В конструкции такого лазера имеются: 1 — молибденовая пластина, покрытая слоем золота; 2 — п -область; 3 — активная область с инверсной населенностью; 4 — р -область; 5 — полированные торцевые поверхности кристалла полупроводника; 6 — верхний электрод. Две боковые грани (торцы) служат зеркалами оптического резонатора лазера. Показатель преломления GaAs достаточно велик, и от полированных торцов, не имеющих дополнительного покрытия, отражается примерно 35 % падающего излучения. Две другие торцевые грани, перпендикулярные плоскости р-п- перехода, немного скошены. Это сделано для того, чтобы между этими гранями генерация излучения не возникала.

Инжекционные ДГС-лазеры

Общая схема инжекционного ДГС-дазера такая же, как на рис. 4.13, но активная область толщиной d представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника, расположенного между двумя ши-рокозонными п- и р- областями, выполняющими функции эмиттеров.

 

Рис. 4.13. Упрощенная структура инжекционного лазера

Кроме электронного ограничени я в двойной гетероструктуре осуществляется эффективное оптическое ограничение. Показатель преломления узкозонного активного слоя больше, чем показатели преломления прилегающих широкозонных областей.

Полосковые гетеролазеры

Полосковым лазером называют инжекционный гетеролазер в котором активная область выполнена в виде узкой полоски Такая конструкция обеспечивает уменьшение рабочего тока (при неизменной плотности порогового тока), эффективную селекцию поперечных мод в направлении, параллельном р-п -переходу, и устойчивую работу лазера.

Простейшим способом ограничения ширины активной области в плоскости р-п -перехода является создание омического контакта не по всей площади, а в виде узкой полоски. Эта полоска шириной от единиц до десятков микрон может быть изготовлена обычными методами фотолитографии. В качестве примера на рис. 4.15 показана рабочая структура контактного полоскового лазера на основе гетероструктуры GaInAsP/InP

Лазер изготовляется следующим образом. Hа подложку низкоомного п -InР толщиной около 150 мкм эпитаксиальным методом наращивают слой п -InP, служащий широкозонным N -эмиттером. На него наращивается тонкий слой твердого раствора Ga_xIn_1-xAs_l-yP_y с составами х и у, отвечающими условию изопериодичности с InP. Этот слой слабого р- (иногда п -) типа образует активную область. На него наращивается широкозонный Р -InР-эмиттер, который покрывается тонким слоем низкоомного р ⁺-InGaAsP для обеспечения хорошего омического контакта. На этот слой наносится слой диэлектрика (например, SiО₂), в котором методом фотолитографии протравливается узкое окно. Верхний омический контакт напыляется на всю структуру. Такая многослойная структура создается на всей площади InP-подложки. Затем из этой структуры параллельно полосковым контактам нарезаются полосы шириной 200 - 300 мкм, из которых затем методом скола по плоскостям {110} выкалываются рабочие лазерные структуры. Эти структуры напаиваются на массивный держатель, выполняющий роль теплотвода и служащий омическим контактом к п -области. Верхний контакт также делается достаточно массивным для улучшения теплотвода. Иногда всю структуру помещают на термоэлектрический холодильник.

 

 

Рис. 4.15. Структура контактного ДГС-полоскового лазера Ga_xIn_1-xAs_l-yP_y/InP