Оптоэлектроника. 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) методов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники в микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:

Высокая информационная ёмкость оптического канала. Острая направленность излучения. Возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей. Возможность простого оперирования со зрительно воспринимемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения 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 использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия оптического квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распространение светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, устройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектроники.

1.2. Генерация света.

Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, длины которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон замечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующиеей частота колебаний и длина волны света связаны следующими соотношениями:

7)
7n 0(Гц) = 3 77 010 514 0/ 7l 0(мкм) 7 2
78
7e 4ф 0(эВ) = 1,234/ 7l 0(мкм) 7 2
70

При известной удельной мощности P плотность фотонного потока N определяется выражением

N(м 5-2 0с 5-1 0) = 5,035 77 010 512 77l 0(мкм) 77 0P(мкВт 77 0м 5-2 0).

Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому излучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так называемого абсолютно чёрного тела имеет вид

f( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0( exp(hc/(kT 7l 0)) - 1) 5-1 0,

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, характеризующееся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового излучения 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 переходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

1,23
7l 0 = ------------- (мкм)
(E 42 0 - E 41 0)(эВ)

Физика люминесценции предопределяет две примечательные особенности процесса: узкий спектр излучения и возможность использования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике главным образом используются электролюминесценция (пробой и инжекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодолюминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет дифракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходимости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).

Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых потоков не может превысить 7 l 5-2 0.

В веществе с показателем преломления n скорость распространения светового луча становится c/n, а поскольку величина n зависит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то это обуславливает дисперсию.

1.3. Источники излучения.

Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучателей: 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 монохроматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую направленность 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 обуславливают перспективность применения этих генераторов в дальнодействующих волоконнооптических линиях связи.

Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте управления. 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 алюминия и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В роли резонатора может также выступать поверхностная дифракционная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической обратной связи.

Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупроводниковые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминесцентные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в результате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высвечивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меняется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, синий (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышьяком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92 мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют максимальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые размеры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быстродействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5 В) и токи (10...100 мА).

Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.

Полупроводник	4050 710, А	Цвет	Эффективность %	Быстродействие, нс
GaAs	9500 9000	ИК	12; 50 5* 0 2	10 5-7 0...10 5-6 0 10 5-9 0...10 5-8 0
GaP	6900 5500	Красный Зелёный	7 0,7	10 5-7 0...10 5-6 0 10 5-7 0...10 5-6 0
GaN	5200 4400	Зелёный Голубой	0,01 0,005
GaAs 41-x 0P 4x 0	6600 6100	Красный Янтарный	0,5 0,04	3 77 010 5-8 0 3 77 010 5-8 0
Ga 41-x 0Al 4x 0As	8000 6750	ИК Красный	12 1,3	10 5-8 0 3 77 010 5-8 0
In 41-x 0Ga 4x 0P	6590 5700	Красный Желто-зеленый	0,2 0,1

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порошковые 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 них знакобуквенные индикаторы, отображать различные схемы, карты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция - свечение люминофора под действием электронного луча. Такие источники излучения представляют собой электровакуумную лампу, анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зелёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, большие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию удобной для различных применений в оптоэлектронике.

2. СВЕТОДИОДЫ.

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэлектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты и масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10 54 0...10 55 0 ч), высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам (10 5-9 0...10 5-5 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения излучения заданного спектрального состава (от синего до красного в видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они используются в качестве источника излучения для управления фотоприёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной информации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в компьютерах и пр.

Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход, прохождение тока через который в прямом направлении сопровождается генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектированных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока (электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люминесценция - испускание света веществом, не требующее для этого нагрева вещества; инжекционная э электролюминесценция означает, что люминесценция стимулирована электрическим током).

Электролюминесценция может быть вызвана также сильным электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конденсаторов с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробойная электролюминесценция Дестрио).

Светодиоды для видимого и ближнего инфракрасного излучения изготавливаются главным образом из монокристаллов материалов типа A 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соединений: GaAs 41-x 0P 4x 0 , Ga 41-x 0Al 4x 0As , где x - доля содержания того или другого элемента в соединении.

Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно легируются соответствующими примесями или их состав сильно варьируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия легируется цинком и кислородом, для получения зелёного - азотом.

Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39 , то светодиод излучает красный свет с 7l 0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.

Из простого соотношения, связывающего длину волны излучения с шириной запрещённой зоны полупроводника, 7 l 0(нм) = 1234/ 7e 0 (эВ) следует, что видимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72 эВ. У арсенида галия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэтому светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное излучение с 7l 0=900 нм. У фосфида галия 7e 0=2,19 эВ. Он может уже излучать видимый свет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энергии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью (или к.п.д.).

число эмиттированных квантов света
7h 0 = ------------------------------------------
число инжектированных неосновных носителей

Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинстве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значении коэффициентов преломления используемых проводников (для арсенида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекобинационного излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём, превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яркости светодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0, I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этим параметрам они уступают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.

Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева и микрофонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.

Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в пределах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по сравнению со случаем применения фильтров для монохроматизации излучения немонохроматического источника.

2.1. Конструкция светодиодов.

В излучателе плоской конструкции излучающий переход 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 7Q, 0arcsin n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у вершины не более 35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и простой. Однако она наименее эффективна, ей соответствует узкая диаграмма направленности излучения .

Геометрические размеры полусферической конструкции светодиода таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излучение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нормалью, 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 эпоксидной смолы, выполняющей роль линзы. Смола имеет коэффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.

Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.

В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения светодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов выполняется такой конструкции.

Светодиоды могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их размеры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

2.2. Свойства светодиодов.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична вольт-амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопротивление 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 кремниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В статическом 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 диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости. Это необходимо иметь в виду, когда светодиод используется 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 20 5o 0 уменьшает их яркость примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокращается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокращается до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его максимально допустимым паспортным значением не рекомендуется.

Спектральный состав излучения светодиодов определяется материалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.

В табл. 2 даны основные параметры некоторых промышленных типов светодиодов.

Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов.

Тип	Материал	Цвет	Входные параметры		Выходные параметры
		7l 0, нм	I, мА	U, В	P, мВт I 4v 0, мкд	L 4v 0, кд/м 52 0
АЛ102А	GaP	Красный 700	5	3,2		5
АЛ102Д	GaP	Зеленый 556	20	2,8		40
FLV450	GaP	Желтый 570	20	2	3,2
FLV350	GaP	Зеленый 560	20	2	3,2
FLV250	GaP	Красный 700	10	2	3
FK510	GaAsP	Красный 660	20	1,6	2
TIL210	GaAsP	Красный 670	50	1,8		2400
АЛ307А	GaAlAs	Красный 700	1	2	0,15
АЛ307Б	GaAlAs	Красный 700	1	2	0,6
АЛ107А	GaAs	920	100	2	6
ЗЛ103А	GaAs	900	50	1,6	1
IXL05	GaAs	900	750	1,8	2
TIL01	GaAs	900	50	1.3	0,05

3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.

В рассмотренных до сих пор светодиодах для получения различного 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. Проще всего такие структуры реализуются на фосфиде галия, который в зависимости от введённых в него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для этого 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 воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так же путём изменения величины тока, текущего через элементы светодиода, удаётся изменять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелёное - находятся на краях цветовой шкалы. Когда требуется получить излучение определённого цветового восприятия, лежащее в данной цветовой области, необходимо перед кристаллом GaP расположить соответствующие фильтры, слабо поглощающие красные и зелёные лучи.

Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпозиционных (красный - жёлтый - зелёный - выключенное состояние) сигнализаторов. Они находят применение в многоцветных буквенных и цифровых индикаторах, а также в цветоаналоговых сигнализаторах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую электронику, с их помощью можно контролировть степень зарядки батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использовать в качестве оптических индикаторов скорости.

4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.

Для миниатюрных устройств отображения информации широко используются 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 цифробуквенных дисплеев из таких материалов используются технологические методы, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зависимости от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по монолитной,так и по гибридной технологии. В первом случае это интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то монолитные индикаторы - индикаторы малых размеров. Во втором случае излучающая часть индикатора представляет собой сборку дискретных светодиодов на миниатюрной печатной плате. Гибридный вариант 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 (400 7& 0400 мкм). Излучающий кристалл - это светящаяся точка. Для того же, чтобы хорошо различать символы и цифры, их размеры не должны быть менее 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 контролировать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.

Индикаторы на светодиодах изготовляются двух типов: сегментные (цифровые) и матричные (универсальные). Семисегментный индикатор позволяет воспроизводить все десять цифр (и точку) и некоторые буквы. Матричный индикатор содержит 7 7& 05 светодиодов (светящихся точек) и позволяет воспроизводить все цифры, буквы и знаки стандартного кода для обмена информацией.

Оба типа индикаторов могут выполняться как одноразрядными, так и многоразрядными, что позволяет создавать на их основе системы отображения различной сложности.

Литература. Нососв Ю.Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М. 1978. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. 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