Параметри та характеристики світлодіодів

У залежності від способу прийому випромінювання світлодіода – візуально або невізуально – оптичні властивості світлодіода описуються світловими або енергетичними параметрами.

Випромінювальна характеристика. Ефективність світлодіодів характеризують залежностями параметрів оптичного випромінювання від прямого струму через світлодіод і від довжини хвилі випромінювання.

Залежність потоку випромінювання Ф_е від прямого струму І_пр приводиться для ІЧ-діодів і називається випромінювальною характеристикою (рис. 12). Для світлодіодів візуального використання випромінювальна характеристика задається залежністю сили світла І_u від прямого струму І_пр, тобто (світлова характеристика). В якості параметра електричного режиму вибрано прямий струм через світлодіод, а не напругу на світлодіоді. Це пов’язано з тим, що p – n перехід світлодіода увімкнутий у прямому напрямку і тому електричний опір світлодіода малий, через що можна вважати, що прямий струм через світлодіод задається зовнішнім колом, змінюється в широкому діапазоні і легко вимірюється.

При малих струмах І_пр велика доля безвипромінювальної рекомбінаційної складової струму і тому коефіцієнт інжекції малий. Із зростанням прямого струму потік випромінювання спочатку швидко збільшується – до тих пір, поки в струмі діода не переважає дифузійна складова струму. Подальше збільшення І_пр приводить до поступового насичення центрів люмінесценції і зниження випромінювальної здатності світлодіода. Крім того, зі зростанням струму збільшується імовірність ударної рекомбінації, що також приводить до зменшення випромінювальної здатності. Одночасна дія розглянутих механізмів впливу прямого струму на силу світла приводить до того, що випромінювальна характеристика має максимум при деякому значенні сили струму. Максимальна сила світла залежить від площі та геометрії випромінюючого p–n -переходу і від розмірів електричних контактів.

Спектральна характеристика. Залежність інтенсивності випромінювання від довжини хвилі оптичного випромінювання (або від енергії фотонів, які випромінюються) називається спектральною характеристикою. У зв’язку з різною шириною забороненої зони у різних матеріалів довжина хвилі випромінювання різна в різних типів випромінюючих діодів (рис. 13). Так як перехід електронів при рекомбінації носіїв заряду відбувається не між двома дискретними енергетичними рівнями, а між двома групами енергетичних рівнів, то спектр випромінювання виявляється розмитим.

Спектр випромінювання світлодіодів із GaP <Zn–O> складається з домінуючої смуги червоного випромінювання (hn _макс = 1,78 еВ при Т = 293 К) і значно менш інтенсивної смуги зеленого випромінювання. Максимум смуги червоного випромінювання зсувається в сторону більших енергій фотонів при пониженні температури світлодіода (температурний коефіцієнт ~ 0,4 × 10^-3 еВ/К). Напівширина домінуючої смуги Dl_0,5 = 0,3 еВ.

У спектрі випромінювання світлодіодів із GaP<N> спостерігаються дві смуги з максимумами: h n_макс1 = 2,225 і h n_макс2 = 2,190 еВ (Т = 293 К). Обидва максимуми зсуваються у високоенергетичну область при пониженні температури світлоідода з однаковими температурними коефіцієнтами 0,45×10^-3еВ.

Спектр випромінювання діодів із GaP<N,Zn-O> з жовтим свіченням містить дві основні смуги (червону і зелену) з відношенням інтенсивностей у максимумах зеленої та червоної смуг в межах 0,15 – 0,45.

Вольт-амперна характеристика. Так як інтенсивність свічення визначається величиною прямого струму через p–n -перехід, то для одержання залежності яскравості від напруги необхідно знати вольт-амперну характеристику І = f(U). У залежності від типу переходу і умов рекомбінації носіїв форма кривих I = f(U) може бути різною.

Для переходів з ділянкою об¢ємного заряду W, тонкою у порівнянні з дифузійною довжиною L, генерацією і рекомбінацією носіїв у цій ділянці можна знехтувати, і рівняння вольт-амперної характеристики має звичайний вигляд:

. (22)

Струм насичення І ₀ (який протікає при зворотних напругах, більших за ) зв’язаний з генерацією пар носіїв по обидва боки від p – n -переходу. Носії заряду, які виникають на відстані L від переходу, встигають у цьому випадку підійти до нього і захоплюються полем переходу.

Для p – n -переходів, виготовлених із матеріалів з малими часом життя носіїв і дифузійною довжиною L стає істотною генерація й рекомбінація в області об¢ємного заряду, і залежність I = f(U) дещо змінюється. Знаменник експоненти у рівнянні (22) у цьому випадку подвоюється, а струм І ₀, зв’язаний тепер з генерацією вільних носіїв у самій області об¢ємного заряду або рекомбінацією інжектованих в перехід носіїв при прямому вмиканні переходу, пропорційний ширині ділянки просторового заряду.

Таким чином, при вмиканні p–n -переходів у прямому напрямі залежність струму від напруги для розглянутих випадків має вигляд:

, (23)

де А = 1 або 2. Для конкретного p–n -переходу величина А може змінюватись по мірі збільшення напруги, так як спочатку може переважати рекомбінація в області просторового заряду, а потім – в прилеглих до переходу областях. Якщо рекомбінація в області об¢ємного заряду не супроводжується випромінюванням, то вихід буде збільшуватись зі зростанням напруги.

Відмінності в прямих вітках вольт-амперних характеристик світлодіодів пов’язані з різницею в ширині забороненої зони напівпровідникових матеріалів (рис. 14). Чим менша довжина хвилі випромінювання, тим більший спад напруги на випромінюючому діоді й втрати електричної енергії в ньому. Зворотні вітки ВАХ мають малу допустиму напругу, так як ширина p–n- переходу у випромінюючих діодах незначна. При роботі в схемах з великими зворотними напругами послідовно з випромінюючим необхідно увімкнути звичайний (не випромінюючий) діод, який має достатнє значення допустимої зворотної напруги.

Швидкодія випромінюючого діода визначається інерційністю процесу випромінювання при подачі прямокутного імпульсу прямого струму (рис. 15). Час перемикання t_пер складається з часу вмикання t_вкл і вимикання t_викл випромінювання. Інерційність випромінюючого діода визначається процесом перезарядки бар’єрної ємності і процесами накопичення і розсасування неосновних носіїв в активній області діода.