Светодиоды

2.4.1 Конструктивные особенности. более широкое применение в оптическом приборостоении, по сравнению с лазерными источниками, находят светодиоды. принцип их работы, как и полупроводниковых лазеров, основан на рекомбинации электронов и дырок в области p-n -перехода, образованного в полупроводниковом материале, в результате чего генерируются кванты излучения. Схема строения светодиода приведена на рисунке 6.

1 – металлический электрод, 2 – полупроводник р -типа; 3 – область р-n -перехода; 4 – полупроводник n -типа; 5 – полупрозрачный электрод; 6 – линза; 7– генерируемое излучение.

Рисунок 6 – Схема светодиода

Из рисунка 6 видно, что светодиоды имеют более простое строение по сравнению с полупроводниковыми лазерами на двойной гетероструктуре. При пропускании тока через p-n -переход в прямом направлении за счет прикладывания напряжения питания к электродам 1 и 5 в p-n переходе за счет электролюминесценции возникает спонтанное излучение, длина волны которого определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника. Часть этого излучения проходит через слой полупроводника 4 и полупрозрачный электрод 5 и выходит из светодиода. Так как полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются светодиоды, имеют высокий показатель преломления порядка 3, то часть излучения, генерированного в p-n -переходе, не может выйти из полупроводника за счет полного внутреннего отражения на границе «воздух полупроводник». Поэтому на полупрозрачном контакте образуется полусферическая линза, для уменьшения относительного показателя преломления и для формирования пучка генерируемого излучения. Иногда эту линзу используют для коллимирования генерируемого пучка с малой расходимостью, для чего полусферическую линзу располагают не непосредственно на полупрозрачном электроде, а на рассчитанном расстоянии. В этом случае расходимость по половинному уровню интенсивности составляет порядка 7⁰. Если линза не рассчитывается специально, то расходимость излучения светодиода составляет порядка 45⁰ по уровню половинной интенсивности.

Так как полупрозрачный электрод достаточно заметно поглощает излучение, то его изготавливают из сильно легированного полупроводника.

Площадь излучающей площадки обычных индикаторных светодиодов составляет порядка 1 мм².

В настоящее время выпускается большое количество разнообразных светодиодов с длинами волн, практически перекрывающими видимую область спектра, изготовленных из различных полупроводниковых материалов. Но самые мощные светодиоды построены на основе арсенида галлия.

Разработаны многоцветные светодиоды, содержащие расположенные друг над другом в виде сэндвича p-n переходы, образованные в полупроводниках с разным значением ширины запрещенной зоны. Сверху располагается самый широкозонный полупроводник, а под ним – с меньшей шириной. Тогда излучение от всех p-n переходов выводится наружу без заметного ослабления.

Еще один интересный тип светодидов, излучающих белый свет, представляют собой люминесцентные светодиоды, у которых генерируемое в p-n -переходе излучение возбуждает люминофор, который светится белым светом.

Наиболее высокий внешний квантовый выход при комнатной температуре имеют светодиоды из арсенида галлия, изготовленные методом жидкостной эпитаксии. При токе 100 мА мощность их излучения достигает 21 мВт, что соответствует внешнему квантовому выходу 16 %. Срок их службы составляет 20000 часов при двухкратном уменьшении мощности, по сравнению с первоначальной.

Светодиоды из фосфида галлия изготавливают с красным и зеленым цветами свечения. Квантовый выход таких светодиодов составляет 1,3 %. Мощность составляет 0,1-0,2 мВт. Яркость светодиодов из фосфида галлия высока и составляет 10000 кд/м². Мощность составляет 1,5 мкВт. Светодиоды из карбида кремния излучают различный цвет. Модификация 4Н – зеленый, 6Н – желтый, ЗС – инфракрасноый с длиной волны 0,8 мкм.