ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра радиоэлектронных устройств и систем
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: «Физические основы микроэлектроники»
Тема: Физические основы работы светоизлучающих диодов
Выполнил студент группы РК-051 Жищенко С.А.
Руководитель профессор Балашов Ю.С.
Воронеж
2007
Оглавление
Введение. 3
1. Технические параметры СИД. 5
2. Физические основы работы СИД. 6
3. Расчет технических параметров СИД. 22
Заключение. 24
Список литературы.. 25
Введение
Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств.
Частота электромагнитных колебаний (несущая частота υ0
) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~1015
— 1013
Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Δυ≈5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ=1 м υ0
=300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении Δυ/υ0
это число возрастает в миллионы раз.
Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ=1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны.
Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж», исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.
Технические параметры СИД
Светоизлучающие диоды КЛ101А, КЛ101Б, КЛ101В. Карбидо-кремниевые диффузионные СИД предназначены для работы в аппаратуре широкого применения. Цвет свечения — желтый. Приборы оформлены в пластмассовом корпусе с плоскими гибкими лужеными выводами; линза — стеклянная (рис. 11,а). Масса прибора не более 0,5 г.
Таблица 1. Основные параметры СИД серии КЛ101.
| Тип СИД |
Прямой ток Iпр, мА |
Яркость при прямом токе Iпр, Lυ, кд/м2, не менее |
Цвет свечения |
| АЛ101А АЛ101Б АЛ101В |
10 20 40 |
10 15 20 |
Желтый Желтый Желтый |
ИК-диоды АЛ106А, АЛ106Б, АЛ106В. Арсенидо-галлиевые мезадиффузионные ИК-диоды предназначены для работы в радиоэлектронной аппаратуре широкого применения. Приборы оформлены в металлическом корпусе с проволочными гибкими лужеными проводами; линза — стеклянная. Масса приборов 0,5 г.
Таблица 1. Основные параметры СИД серии КЛ106.
| Тип СИД |
Прямой ток Iпр, мА |
Мощность излучения при прямом токе Iпр, Lυ, кд/м2 |
Длина волны λ, мкм |
| АЛ106А АЛ106Б АЛ106В |
100 100 100 |
0,2 0,4 0,6 |
0,92-0,935 |
Физические основы работы СИД
Внешний квантовый выход и потери излучения.
Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы светоизлучающих полупроводниковых диодов (СИД). Термином «светоизлучающие диоды» охватывают также излучающие диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения (ИК-диоды)
Светоизлучающий диод - основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обусловливают следующие его достоинства: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узкий спектр излучения (квазимоно-хроматичность) для одного типа СИД, с одной стороны, и перекрытие почти всего оптического диапазона излучения СИД различных типов - с другой; высокая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высокое быстродействие; малые габариты, технологическая совместимость с микроэлектронными устройствами; высокая надежность и долговечность.
Качество СИД характеризуется внешним квантовым выходом:
η = γ ηэ
ηопт
где γ - коэффициент инжекции; ηэ
-внутренний квантовый выход; ηопт
- оптическая эффективность или коэффициент вывода света.
Произведение γηэ
определяет, эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении γηэ
внешний квантовый выход СИД может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры СИД во внешнюю среду. При выводе излучения из активной (излучающей) области СИД имеют место потери энергии (рис. 1).
Потери на самопоглощение (лучи 1 на рис. 1). При поглощении полупроводником фотонов их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фотонов свободными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фотонов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой, поглощение с переходом электронов с акцепторного на донорный энергетический уровень и некоторые другие виды поглощения.
Рис. 1. Потери при выводе оптического излучения из активной области.
Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2 на рис. 1). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной' среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части излучения выполняется условие полного внутреннего отражения. Эта- часть излучения, отразившись внутрь кристалла, в конечном счете, теряется за счет самопоглощения.
Полное внутреннее отражение может сильно ограничивать внешний квантовый выход СИД. Этот эффект особенно ярко выражен в полупроводниках с прямыми переходами, где почти все излучение, претерпевшее полное внутреннее отражение, поглощается. В полупроводниках с непрямыми переходами внутреннее поглощение гораздо слабее и, следовательно, излучение имеет большую вероятность дойти до какой-либо поверхности кристалла диода. Потери при прохождении света внутри диодной структуры примерно пропорциональны V/Sx
0
, где x0
- глубина поглощения, V - объем, S - площадь полной поверхности кристалла СИД.
Потери в полупроводниках обоих типов обусловлены высокими показателями преломления материалов, используемых для СИД (n≈3.3-3.8), и возрастают при уменьшении ширины запрещенной зоны. Излучение, падающее на поверхность под углом 0, превышающий критический угол, претерпевает полное внутреннее отражение. Излучение, падающее под углом, меньшим критического, также частично отражается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщины и показателя преломления, то она будет оказывать просветляющее действие и коэффициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменяется.
1. Потери на обратное и торцевое излучение (лучи 3 и 4 на рис 1). Генерация в активной области полупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону эмиттера, быстро поглощаются. Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от соседних областей. Поэтому лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль активной области, так что интенсивность торцевогоIизлучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла. Количественно эффективность вывода оптического излучения из СИД характеризуется коэффициентом вывода ηопт
и определяется отношением мощности излучения, выходящего из СИД, к мощности излучения, которая генерируется внутри кристалла:
ηопт
= Pизл
Pген
Таким образом, внешний квантовый выход ηопт
- это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции γ, электролюминесценции ηэ
и вывода излучения ηопт
в создании оптического излучения. Иначе, внешний квантовый выход η. определяется отношением числа излучаемых квантов к числу проходящих за то же время через СИД носителей заряда:
η = Nф
Nэ
СИД на основе гетероструктур. Наилучшие параметры излучения имеют СИД, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Рассмотрим основные особенности гетероструктуры более подробно, так как она является базой для изготовления многих типов оптоэлектронных приборов.
Гетеропереходом называют переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности, и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовать четыре гетероструктуры: p1
-n2
, n1
-n2
, n1
-p2
, p1
-p2
Здесь индекс 1 относится к полупроводнику с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник), а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник).
При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетероструктуры в равновесном состоянии единый. На рис. 2 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs-GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.
Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2 -электронами). Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место. односторонняя инжекция - только электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой. Наряду с одинарной в СИД используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широкозонный Р3
-слой того же, что и база, типа проводимости (рис. 3). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны). Избыточная, концентрация носителей в активной, (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.
В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход 3-4% а время переключения 40-80 не; двойные гетероструктуры имеют примерно такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения 20-30 нс. Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-n переходов.
Рис 4. Спектральные характеристики базы и эмиттера гетероструктуры
Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 4). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.
В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись, от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Очевидно, что многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.
Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.
Излучательная характеристика
В зависимости от способ
Эффективность СИД характеризуют зависимостями параметров оптического излучения от прямого тока через СИД и от длины волны излучения. Зависимость потока излучения Фе
от прямого тока Iпр
приводится для ИК-диодов и называется излучательной характеристикой (рис. 5). Для СИД визуального применения излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света Iυ
от прямого тока Iпр
. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через СИД, а не напряжение на СИД. Это связано с тем, что р-n переход СИД включен в прямом направлении и электрическое сопротивление СИД мало. Поэтому можно считать, что, прямой ток через СИД задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется.
При малых токах Iпр
велика доля рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции в соответствии с выражением мал. С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.
Рис. 5. Излучательная характеристика СИД:
1 — участок характеристики при малых токах;
2 — участок характеристики при больших токах.
Дальнейшее увеличение Iпр
приводит к постепенному насыщению центров люминесценции, и снижению излучательной способности СИД. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором определенном токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р-n перехода и от размеров электрических контактов.
Спектральная характеристика
Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой СИД. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Длина волны λmax
излучения светодиода определяется по формуле:
где h – постоянная Планка, с – скорость света, E – ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если λmax
измеряется в мкм, а Е – в Эв.
В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах СИД. Примеры спектральных характеристик СИД на основе GaP и SiC с различными примесями приведены на рис. 6. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон СИД характеризуют шириной спектра излучения ∆λ0,5
, из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.
Рис. 6. Спектральные характеристики СИД.
Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (∆λ/λmax
<<1) и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.
Независимо от того, насколько эффективен СИД, выходное излучение даже большой мощности не будет зарегистрировано, если длина волны излучения не , соответствует спектру излучения, на который реагирует фотоприемник. В огромном большинстве случаев применения СИД должен быть спектрально согласован либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 300—1100 нм. Человеческий глаз обладает существенно более узким диапазоном чувствительности с практически полезной областью 400—700 нм. Для эффективной работы пары излучатель — приемник необходимо тщательное согласование спектральных характеристик этих приборов.
Например, при согласовании с человеческим глазом СИД на основе GaAsP согласование обеспечивается выбором такой длины волны, на которой произведение относительной световой эффективности глаза V(λ)и квантового выхода СИД η(λ) является максимальным, т.е.
V(λ) η(λ) =max
Этот максимум достигается при λ=655 нм (рис. 6) — красный цвет излучения.
У СИД, имеющих более короткие длины волн излучения (например, с λmax
=565 нм — зеленый цвет. и λmax
=585 нм — желтый цвет), значение η обычно существенно ниже, чем у СИД красного цвета. Однако относительная чувствительность глаза при такой длине волны значительно больше.
В результате удается получить набор излучателей от красного до зеленого цвета свечения, которые имеют одно и то же значение произведения V(λ) η (с точностью до порядка величины).
Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования СИД с фотодиодом. С одной стороны, такое согласование по сравнению с согласованием с человеческим глазом облегчается, так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире. С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары СИД — фотоприемник.
Оптические параметры
Оптические свойства СИД описываются группой оптических параметров. Оптические параметры позволяют выбрать СИД нужного цвета свечения, который имел бы максимальную световую отдачу при заданном токе. К оптическим параметрам СИД относятся: длина волны излучения λmax
, доминирующая длина волны излучения λдом
, сила света Iυ
и угол излучения θ.
Длина волны излучения λmax
— это длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения СИД. Современные структуры имеют малый разброс значений длины волны излучения для СИД одного типа.
В визуальных применениях СИД закрепляется на передней панели прибора. При этом он должен быть хорошо виден при окружающем освещении в месте установки СИД. Обычно окружающая освещенность достаточно высока. Поэтому для улучшения восприятия необходимо усилить контраст между индикатором и фоном. Усиление контраста заключается в обеспечении максимальной разности яркости включенных и выключенных СИД. Это условие обеспечивается двумя путями. Во-первых, уменьшают отражение окружающего света от поверхности СИД. Во-вторых, обеспечивают максимальное восприятие глазом света, излучаемого СИД.
В условиях искусственного освещения контраст усиливают с помощью избирательных оптических фильтров. Влияние такого фильтра на контрастность показано на примере знакового индикатора на рис. 8. Легко видеть, что визуальный контроль информации при наличии фильтра существенно улучшается.
Основное требование, предъявляемое к контрастному светофильтру, заключается в хорошей избирательности, т.е. в хорошем пропускании света только для длины волны излучения СИД. Спектральная характеристика фильтра — это зависимость относительного пропускания фильтра от длины волны света. Относительное пропускание Тф
фильтра определяется соотношением:
Тф
(λ)= Lυ
(λ)/Lυ
0
где Lυ
(λ) — яркость излучения с фильтром на длине волны λ; Lυ
0
— яркость излучения без фильтра на длине волны λmax
.
СИД как элемент оптрона
Светоизлучающие диоды имеют широкое применение. Они используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других технических устройствах. При этом СИД выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства - как дискретный оптоэлектронный прибор - или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора или оптоэлектронной микросхемы - оптрона. В этом случае излучающая структура должна обеспечивать одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстродействие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприемником оптрона и характеристики оптрона оптимальны. Для обычных СИД, не входящих в состав оптрона, требования к направленности излучения обычно существенно ниже. Кроме того, СИД визуального применения могут иметь низкое быстродействие, т. е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.
Рассмотрим типичные структуры и параметры излучателей, используемых в современных оптронах.
Структура на основе р-n перехода в арсениде галлия (так называемая мезаструктура - см. гл. 5), легированном кремнием, образует активную область с такими особенностями:
практически полное отсутствие безызлучательной рекомбинации, т.е. высокое совершенство структуры;
высокая эффективность инжекции;
различие спектральных характеристик излучения (λmax
≈940 нм) и поглощения (λгр
≈900 нм), что резко снижает самопоглощение и позволяет получить высокие значения коэффициента вывода излучения.
В результате у лучших образцов излучателей этого типа η≈ 7-9%, а КПД 6-7%. У подобных им приборов с полусферической активной областью η≈ 20-30% и КПД 10- 5%. Однако большее время жизни носителей и протяженность активной области приводят к тому, что при протекании прямого тока накапливается избыточный заряд, рассасывание и рекомбинация которого проходят за 10-7
-10-6
с.
Одинарная гетероструктура а на основе тройного соединения GaAlAs обеспечивает одностороннюю инжекцию дырок в базу и эффективную люминесценцию. Это следствие того, что область безызлучательной рекомбинации (дефекты на границе подложка - база) удалена от активной области. Вывод излучения проходит с минимальным поглощением. В итоге у лучших образцов η≈ З - 4% (при tпер
≈ 40-80 нс). Диапазон рабочих токов составляет 1-20 мА. Падение напряжения в прямом направлении около 1,2 В (при Iпр
=10 мА). Напряжение пробоя 6—8 В. Барьерная емкость при нулевом смещении 100 пф.
В двойной гетероструктуре на основе того же тройного соединения GaAlAs возможно увеличение концентрации легирующей акцепторной примеси Na
при постоянной толщине базовой области. За счет этого растет граничная частота, но одновременно увеличивается туннельная компонента прямого тока, а внешний квантовый выход η уменьшается. Существует некоторое оптимальное значение Na
, при котором достигается максимальное произведение ηfгр
, представляющее собой обобщенный показатель эффективности излучателя в оптроне. Излучатели такого типа, как отмечалось, характеризуются значениями η≈ 2-2,5% и tпер
≈ 20-30 нс
Параметры СИД как элемента электрической цепи
Параметры СИД как элемента электрической цепи постоянного тока определяются его вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей вольт-амперных характеристик СИД связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов (рис. 9). Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на светодиоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик имеют малое допустимое обратное напряжение, так как ширина р-n перехода в СИД незначительна. При работе в схемах с большими обратными напряжениями последовательно с СИД необходимо включать обратный (не излучающий) диод.
Быстродействие СИД определяется инерционностью процесса излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 10). Время переключения tпер
складывается из времени включения tвкл
и выключения tвыкл
излучения. Инерционность СИД определяется процессом перезаряда барьерной емкости (емкости p-n-перехода) и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области СИД.
Для СИД, работающих в режиме визуальной индикации, быстродействие оказывается второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза составляет около 50 мс, что много больше tпер
СИД. Для систем записи и считывания информации без визуализации, например для излучателей в оптронах, время переключения ИК-диода входит составной частью в общее время переключения оптоэлектронного прибора. В этих случаях стремятся сделать tпер
ИК-диода минимально возможным.
Важной особенностью СИД является присущая им деградация — постепенное уменьшение мощности излучения. при длительном протекании через прибор прямого тока. Деградацию связывают с увеличением концентрации центров безызлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов. Также играет роль дезактивация части излучательных центров за счет их перехода из узлов кристаллической решетки в междуузлия. Снижение мощности излучения из-за деградации подчиняется экспоненциальному закону:
Фυ
(t)= Фυ
(0) exp(-t/τдег
),
где Фυ
(0) — исходная (начальная) мощность излучения СИД; τдег
— постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации.
Для большинства СИД τдег
=104
ч (вплоть до 105
— 106
ч), однако у некоторых образцов срок службы не превышает 103
ч.
Рассмотрим влияние температуры на параметры и характеристики СИД.
С ростом температуры обычно несколько увеличивается длина волны излучения λmax
СИД. Это увеличение определяется тем, что с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника. В результате длина волны излучения увеличивается.
Поток излучения (излучаемая мощность) с ростом температуры уменьшается. Пусть СИД используется для визуальных целей (приемник излучения — человеческий глаз). Тогда с ростом температуры сила света уменьшается, с одной стороны, за счет изменения чувствительности глаза с изменением длины волны, с другой — за счет непосредственного уменьшения мощности излучения. Например, для красного СИД при 650 нм чувствительность глаза изменяется примерно на 4,3% при изменении длины волны на 1 мм. Смещение длины волны составляет 0,2 нм/°С. Сила света изменяется примерно на 1 % при увеличении температуры на 1 °С.
Сила света СИД изменяется с ростом температуры по экспоненциальному закону:
Iυ
(T)= Iυ
0
exp(-k(T-T0
))
где Iυ
(T) — сила света при температуре Т; Iυ0
— сила света при комнатной температуре; k=ln TKIυ
Расчет технических параметров СИД
Задание:
Рассчитать ширину запрещенной зоны ИК-диода АЛ106А, Длина волны излучения равна 0,93 мкм.
Решение:
Ответ: ширина запрещенной зоны ИК-диода АЛ106А равна 1,32 Эв
Заключение
Применение оптических методов записи, хранения обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достижения высокой плотности записи информации в оптических запоминающих устройствах.
На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо, прежде всего, понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они являются фундаментом всей квантовой и оптической электроники.
Список литературы
1. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники: Учеб. пособие для вузов по специальностям «Полупроводники и диэлектрики», «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы».-М.: Высш. шк., 1983.-304 с, ил.
2. Шарупич Л.С, Тугов Н.М. Оптоэлектроника: Учебник для техникумов. — М.: Энергоатомиздат, 1984. —256 с, ил.
3. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е изд.,перераб. К.: Технiка, 1980. 464 с. с ил. – Библиогр.: с. 459