ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ С 5-ОБРАЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

В последние годы ведутся исследования по созданию светоизлучающих диодов с S-образнои характеристикой (светоизлучающих динисторов) (рис. 4.29). Эти прибо­ры представляют значительный интерес для ряда обла­стей оптоэлектроники и электронной техники. Благода­ря способности излучать свет в сочетании с пороговым включением они существенно превосходят по своим функ­циональным возможностям обычные светоизлучающие диоды. Применение светодинисторов в цифро-знаковых индикаторах вместо обычных светоизлучающих диодов позволит упростить и удешевить схемы управления инди­каторами.

Вольт-амперные характеристики S-диодов из GaP на основе р — і — /г-структуры [34, 119] имеют напряжение включения в пределах 3—25 В. Остаточное напряжение составляет, как правило, 2 В. При приближении смеще­ния к напряжению включения и после него на общем фо­не слабого свечения р — «-перехода наблюдается участок очень яркой люминесценции. Площадь этого участка весьма мала (0,01—0,1 мм2). Цвет свечения — красный или зеленый. Именно эти области ответственны за появ­ление участков отрицательного сопротивления. На ряде диодов [34] при переходе через напряжение включения наблюдается изменение в спектре электролюминесцен­ции: вместо преобладающей красной полосы (до напря­жения включения) начинает доминировать зеленая по­лоса излучения, причем красная электролюминесценция наблюдается по всей площади р — я-перехода, а зеле­ная— только в отдельных точках. Переключение диодо обусловлено, по-вндимому, лавинным размножением но­сителей в /-области.

Работа [35] посвящена источникам зеленого и крас­ного света с 5-образной вольт-амперной характеристикой на основе GaP р— «— р — «-структур. Типичная GaP - структура с зеленым свечением представлена на рис. 4.30. Два внутренних слоя структуры называют базовы­ми. В случае прямого смещения (положительный потен­циал на слой р4) коллекторный р2— «3-переход включен в обратном направлении, а эмиттерные ri—-р2 и «3 — Р4 — в прямом. При достаточно малом прямом токе ко - ' эффициенты передачи по току а и а2 составных тран­зисторов малы. При возрастании напряжения происхо­дит смыкание области объемного заряда п — р2 и р2— «з-переходов и прибор переключается в открытое состо­яние. Таким образом, переключение динистора происхо­дит в результате прокола тонкой базы р2. Об этом же свидетельствует пропорциональность Uвкл ~ d'p2 Для ис­следованных приборов. После переключения остаточное напряжение динистора примерно равно напряжению на одиночном прямосмещенном р — «-переходе. Прибор бу­дет находиться во включенном состоянии до тех пор, по­ка ток через структуру не будет понижен до значения, меньшего значения /выю?. Во включенном (открытом) состоянии диод эффективно люминесцирует, причем ме­ханизм электролюминесценции и спектр излучения ана­логичны таковым для обычных светоизлучающих диодов. Основной люминесцирующей областью является об­ласть «3.

Четырехслойные GaP-структуры получают методом жидкостной эпитаксии. Эпитаксиальные слои выращи­вали на подложке, ориентированной в плоскости (П1)А, в едином процессе эпитаксии [35]. Zn для полу­чения слоев pi и р3 вводили из паровой фазы, а Те до­
р„с. 4.30 Четырехслон - „ая GaP-структура с S-образной характерис­тико]! (с зеленым свече­нием) и распределение концентрации носителей 1351

бавляли в шихту пе­ред процессом. Азот вводили в расплав из потока аммиака.

Толщина р2-базы—-

1— 1,5 мкм.

Параметры GaP динисторов следую­щие. Напряжение включения находится в пределах 8— 33 В, обратное напряжение, определяемое свойствами эмиттерных р—« переходов, составляет 14—40 В, при­чем для всех приборов отношение UBKJUo6p равно 0,5— 0,7. Ток включения находится в пределах 0,1—2 мА, а ток выключения 0,7—3,4 мА. Сила света диодов в от­крытом состоянии при токе 10 мА составляет 0,7— 0,9 мкд.

Светоизлучающие динисторы с красным свечением получены на основе гетероструктур в системе AIAs— GaAs [35]. Устройство типичной pi — n2 — Рз — «^струк­туры представлено на рис. 4.31. В этой структуре при возрастании напряжения за счет лавинного умножения носителей заряда в центральном обратносмещеином р3— «2-переходе сумма аі + аг достигает единицы и прибор переключается в открытое состояние. Эмиттерные слои рі и «4 создаются более широкозонными для повышения

коэффициентов ИНЖеКЦИИїДЬфОК В «2-базу и электронов в рз-базу. Таким образом, переключение динисторов и.. Gaj-jAljAs обусловлено проколом тонкой «2-базы" Спектр излучения динисторов аналогичен таковому для обычных светоизлучающих диодов из Gao.7Alo.3As. Лю - минесцирующей областью является область р3. Эффек­тивный вывод излучения обеспечивается за счет наличия широкозонного окна.

Четырехслойные структуры выращивали методом жидкостной эпитаксии в потоке водорода в одном про­цессе при неизменной скорости охлаждения. В качестве подложек использовали пластины GaAs р+-типа. Базо­вый «г-слой специально не легировался и выращивался толщиной около 2 мкм. Для получения р3-базы цинк вво­дили из паровой фазы, а при росте эмиттер ного «4-слоя Те и А1 добавляли в расплав [35].

Величина ивкл диодов находится в пределах 6—13 В, обратное напряжение составляет 18—28 В, причем для всех приборов tW<fW Ток включения находится в интервале 0,12—1 мА, ток выключения—0,6—2 мА. Си­ла света диодов при токе 10 мА 0,2—0,3 мкд (без поли­мерной линзы). Время включения динистора составляет примерно 10~[2] с и определяется временем задержки.

Теория, описывающая характеристики четырехслой­ных динисторов, дает следующее выражение, связываю­щее напряжения £/вкл и U0бр:

^вкл = ^обР (1 —«і — az)llny (4.8)

где « — коэффициент.

Для применения светоизлучающих динисторов в зна­ковых индикаторах и экранах с матричной организаци­ей требуется выполнение условия 6гобР> С/вкл. Это усло­вие выполняется в структурах, где (ai+a2)>0,7. Для обеспечения выполнения этого соотношения необходимо создавать эффективные эмиттерные р — «-переходы, а также базовые области, в которых время жизни неоснов­ных носителей возрастает с ростом уровня инжекции.

я0Дразделяют на два вида: активные индикаторы, гене­рирующие световое излучение при потреблении электри­ческой энергии, и пассивные индикаторы, модулирующие внешнее освещение при приложении электрического сиг­нала.

Полупроводниковые индикаторы на основе инжекци- онной электролюминесценции — индикаторы активного типа. По характеру отображаемой информации полупро­водниковые многоэлементные индикаторы могут быть разделены на следующие основные группы [120]: 1) ли­нейные шкалы (отображение светящихся линий); 2) циф­ровые одноразрядные и многоразрядные индикаторы (числа); 3) знаковые одноразрядные и многоразрядные индикаторы (числа, буквы и знаки); 4) экраны (число­вая, текстовая, графоаналитическая и любая другая ин­формация).

По назначению индикаторы могут быть классифици­рованы как приборы индивидуального, группового и кол­лективного пользования. В зависимости от этого они имеют различные размеры знаков.

Основные требования к полупроводниковым индика­торам следующие [120]: воспроизведение информации

любого характера; яркостный контраст изображения не менее 4: 1 при внешней освещенности до 100 тыс. лк; совместимость по напряжению питания со стандартны­ми интегральными схемами управления; различные цве­та изображения; стойкость к жестким механическим и климатическим воздействиям, широкий интервал рабо­чих температур, минимальные габарит и масса, большой срок службы и хранения; низкая трудоемкость производ­ства й низкая стоимость.

5.2. УСТРОЙСТВО ИНДИКАТОРОВ

По конструктивному исполнению полупроводниковые индикаторы можно подразделить на: бескорпусные мо­нолитные индикаторы; герметизированные индикаторы; наборные индикаторы из дискретных светоизлучающих диодов; экраны.

Герметизированные индикаторы, в свою очередь, под­разделяют на следующие виды: индикаторы простой гиб­ридной конструкции; индикаторы с монолитным кристал­лом; гибридные индикаторы, использующие для создания изображения принцип рассеяния света; многоразрядные Монолитно-гибридные индикаторы с оптическим увеличе­нием; матричные индикаторы.

Бескорпусные монолитные индикаторы [120] пред ставляют собой монолитные многоэлементные светоизлу­чающие кристаллы. с контактными площадками. Они не имеют кристаллодержателя и выводов. Преимущество монолитных индикаторов состоит в возможности созда­ния большого числа светящихся элементов любой конфи­гурации с любыми размерами и четким взаимным рас­положением.

Изготавливают монолитные индикаторы из твердого раствора GaAs0,6Po,4 (красное свечение) и GaP : N (зеле­ное свечение) с использованием эпитаксиально-планар­ной технологии. Для изготовления индикаторов исполь­зуют эпитаксиальные структуры п+—n-типа, получае­мые газовой эпитаксией (марок СФАГ-1, ЭФАГ-100 и др.). Планарные излучающие р — n-переходы создаются локальной диффузией Zn (с использованием диэлектри­ческих масок из Si3N4). Оптическая изоляция элементов знака обеспечивается либо благодаря высокому коэффи­циенту поглощения излучения в эпитаксиальном слое и подложке (GaAso,6Po,4), либо'благодаря нанесению по­глощающей свет пленки поликристаллического Si (в слу­чае прозрачной структуры GaP) [75].

Типичное устройство бескорпусного монолитного ин­дикатора представлено на рис. 5.1. При высоте знака около 2,5 мм ширина светящегося сегмента находится в пределах 80—120 мкм. Ширина контактных дорожек вы­брана равной 20 мкм. Расстояние между контактными дорожками примерно равно ширине сегмента. Такой контакт, занимая не более 20 % светящейся площади, обе­спечивает равномерное свечение сегмента и низкое пере­ходное сопротивление. Из-за наличия выносных (относи­тельно р — и-перехода) контактных площадок повыша­ется надежность и снижается трудоемкость монтажа индикаторов в схему.

Плотность тока через сегмент при прямом токе 5 мА составляет примерно 4 А/см2. Разброс значений силы света сегментов в монолитных индикаторах не превыша­ет ±30%, что' практически неразличимо для глаза. Представители бескорпусных монолитных индикаторов [120]: AJIC313A-5 — семисегментный индикатор с высо­той отображаемого знака 2,6 мм с размерами кристалла 2,8X2,0 мм; AJ1C322A-5 — девятисегментный индикатор для цифро-буквенной индикации со знаком высотой

2,6 мм и размером кристалла 2,8X2,2 мм.

Бескорпусные индикаторы в основном применяют в массовых изделиях электронной техники, например на­ручных электронных часах и т. п.

Возможно также создание1 монолитных индикаторов на основе гетероструктур р+— р — «-типа из Ga0,7Alo,3As с использованием разделительной диффузии Zn [102]. Такие индикаторы, характеризуются более высокой эф­фективностью, чем индикаторы из GaAso,6Po,4, и высокой контрастностью изображения.

Имеются сообщения о создании эффективных моно­литных индикаторов на основе двухслойных эпитакси­альных структур GaP: N, прозрачных для генерируемого света. Оптическая изоляция элементов знака в этом слу­чае обеспечивается за счет создания мезаструктур и на­несения на полупроводник поглощающего свет слоя.

Рис. 5.3. Типичный индикатор на принципе рассеянкя света (а) п схема устройства сегмента (б):

1 — кристалл; 2 — пластмассовый кор­пус со светопроводом

Индикаторы простой гиб. ридной конструкции устрое­ны таким образом, что раз­меры элемента изображения однозначно определяются размерами светящейся об­ласти кристалла, а конфи­гурация знака — взаимным расположением кристаллов на основании. Основание с

кристаллами либо подвергается полимерий герметизации в прозрачный компаунд, либо помещается в металло­стеклянный или металло-керамический герметичный кор­пус [120].

Представители данного класса индикаторов: цифро­буквенный индикатор типа AJ1306, содержащий 35 кри­сталлов размером 0,5X0,5 мм, расположенных прямо­угольником 5X7 с высотой знака 7 мм; индикатор соби­рается на металлизированной керамической плате с встроенными выводами и герметизируется прозрачным эпоксидным компаундом; цифровой семисегментный ин­дикатор типа AJ1305, содержащий по два кристалла в каждом сегменте, соединенных последовательно; высота цифры 7 мм; индикатор также собирается на металлизи­рованной керамической плате и герметизируется про­зрачным полимером; цифровые семисегментные индика­торы типов AJ1304, AJIC320 и AJ1C312, содержащие один кристалл на каждый сегмент, с высотой знака 3, 5 и 7 мм соответственно; индикаторы собираются на. никелевой рамке и герметизируются прозрачным полимером; типич­ное устройство индикатора простой гибридной конструк­ции показано на рис. 5.2.

Достоинство индикаторов простой гибридной конст­рукции— простота устройства; недостаток — относитель­но большой расход материала (сравнительно с индика­торами, использующими эффект рассеяния света). Сле­дует отметить, что индикаторы такой конструкции работают, как правило, при низких значениях плотности

І — металлизированная плата; 2— монолитный ыногоэлементный кристалл; Э — моноблочная крышка с выпукло-вогнутыми линзами; 4 — монолитный лнмерный корпус; 5 — никелевые выводы (размеры в миллиметрах)

тока через р — я-переход, что приводит к понижению эффективности. Индикаторы данного типа создаются на основе - излучающих структур практически всех видов: UaAso. ePo^; GaP : N; GaP : N, Zn—O; Gao.7Alo.3As.

Индикаторы с монолитным кристаллом содержат мно­гоэлементный светоизлучающий кристалл, помещенный либо в полимерный корпус (например, AJIC3I4), либо в полый герметичный корпус с плоским окном (например, АЛС339) [120].

Достоинство герметизированных индикаторов с моно­литным кристаллом по сравнению с индикаторами прос­той гибридной конструкции — точность отображения зна­ков, а также существенное упрощение технологии сбор* ки. Недостаток — больший расход полупроводникового материала на один знак. Практически экономически вы­
годно использовать монолитные кристаллы размером отображаемого знака не более 3X2 мм [120].

Гибридные индикаторы на принципе рассеяния света содержат кристаллы весьма малых размеров, размещен­ных на основании корпуса в соответствии с заданным расположением элементов изображения. Размеры эле­ментов изображения формируются пластмассовым свето­проводом. Оптическое преобразование изображения то­чечного источника света (кристалла) в изображение све­тящегося элемента индикатора осуществляется за счет многократного рассеяния света внутри светопровода. Рас­сеяние света обеспечивается либо при помощи специаль­ного светорассеивающего полимера, либо при помощи диффузно-рассеивающей пленки, помещенной на лице­вой поверхности светопровода [120].

Типичное устройство индикатора на принципе рассея­ния света представлено на рис. 5.3. Конструкция инди­катора на принпице рассеяния света сложнее простой гибридной. Однако достоинство ее состоит в резком сни­жении расхода материала. В настоящее время эта конст­рукция— основная для цифровых и знаковых индикато­ров с высотой знака более 7 мм. В последние годы раз­работаны на этом принципе индикаторы красного, зеленого и желтого цветов свечения с высотой знака 7, 12 и 18 мм [120].

Представители данного класса индикаторов — семи­сегментные цифровые индикаторы типов АЛС321А, Б; AJ1C324A, Б с желто-зеленым и красным свечением со­ответственно. Высота отображаемой ими цифры состав­ляет 7,5 мм. Для изготовления индикаторов используются металлизированное керамическое основание с встро­енными выводами и пластмассовый корпус с полыми све­топроводами с отражающими свет стенками; для полу­чения равномерного свечения по поверхности сегмента светопровод заполняется светорассеивающим компаун­дом. Размер кристаллов, используемых в индикаторах, весьма мал (0,3X0,3 мм или 0,5X0,5 мм), что позволяет резко снизить расход дефицитных материалов на произ­водство индикаторов.

С использованием принципа рассеяния света разра­ботаны также знаковые индикаторы с числом элементов 7X5 и децимальной точкой [121]; высота знака 9 мм. Индикаторы изготавливаются в пластмассовом или ме - талло-стеклянном корпусах. Разброс силы света сегмен - foe в одном гибридном индикаторе не превышает трех

раз.

Для изготовления кристаллов индикаторов на прин­ципе рассеяния света используются различные эпитак­сиальные структуры, однако наиболее эффективно при­менение структур с прозрачной подложкой, так как в индикаторах этой конструкции может быть полезно ис­пользовано боковое излучение кристаллов. В частности, широкое применение находят кристаллы из GaP: N и GaAsi-зсРзс: N на подложке GaP.

Многоразрядные монолитно-гибридные индикаторы с оптическим увеличением предназначены, в основном, для визуальной индикации вычислений в микрокалькулято­рах широкого применения. В индикаторах этого типа імонолитньїе многоэлементные кристаллы помещают на общее основание, а для увеличения видимого изображе­ния знака используется многоэлементная (по числу кри­сталлов) пластмассовая линза. Существуют две основ­ные модификации данной конструкции [120]: керамиче­ское или стеклотекстолитовое основание и моноблочная линза, закрепленная на нем (например, тип AJIC318); металлическая рамка и линза, формируемая в процессе полимерной герметизации (например, тип АЛС311).

Типичное устройство индикаторов обеих модифика­ций показано на рис. 5.4. Обе модификации позволяют резко сократить расход материала за счет использова­ния линз, увеличивающих видимое изображение. Коэф­фициент увеличения размера знака находится в пределах

2— 3 (в зависимости от типа применяемой линзы). Ис­пользование оптического увеличения позволяет также увеличить силу света индикаторов в 2—5 раз.

Серии семисегментных индикаторов красного цвета свечения в монолитной полимерной герметизации на 2, 3, 4 и 5 разрядов благодаря возможности бесшовной сты­ковки обеспечивают набор цифровых шкал на любое чи­сло знакомест с шагом разряда 3,75 и 5,0 мм, с высотой отображаемого знака 2,5; 3,75 и 5,0 мм.

Семисегментные индикаторы типа АЛС318 использу­ют кристаллы уменьшенного размера по сравнению с ин­дикаторами типа AJ1C311 (1,68X1.15 вместо 2,25X1.48), что резко снижает стоимость изделия. Применение в ин­дикаторах типа АЛС318 выпукло-вогнутой линзы позво­ляет увеличить угол излучения (по сравнению с выпук­лой линзой). Одновременно использование отдельной моноблочной линзовой крышки (вместо монолитной по­лимерной герметизации) повышает технологичность изго­товления индикаторов И выход годных приборов. Много­разрядные индикаторы с моноблочной линзовой крыш­кой изготавливаются с 9 и 12 разрядами.

Матричные индикаторы предназначены, в основном, для создания экранов. Непосредственно вслед за появле­нием первых образцов светоизлучающих диодов предпри­нимались значительные усилия по созданию твердотель­ных экранов для передачи телевизионного изображения и другой графоаналитической информации. Из работ по­следнего времени необходимо отметить следующие. В [121] сообщается о создании модуля экрана размером ЮХЮ мм с числом элементов 8X8. Модуль допускает бесшовную стыковку. При изготовлении модуля кристал­лы размером 0,3X0,3 мм из GaAso^PiM или GaP: N на­клеиваются токопроводящим клеем в восемь рядов на керамическую плату с предварительно металлизирован­ными дорожками, осуществляющими электрическое сое­динение кристаллов по нижнему контакту по осям х. Для осуществления электрического соединения по осям у кристаллы разводятся золотой проволокой по верхне­му омическому контакту.

Вывод света осуществляется с использованием прин­ципа рассеяния света через круглые световоды в пласт­массовом корпусе. Применение световодов позволяет обеспечить эффективную оптическую развязку между элементами, повышенную точность размещения элемен­тов, а также лучшее восприятие свечения.

Значительные усилия направляются на создание эк­ранов для телевизоров, сравнимых по потреблению энер­гии с электронно-лучевыми трубками. Сообщается об эк­ранах из дискретных кристаллов GaP : N (зеленое свече­ние) размером 0,3X0,3 мм, содержащих 6144 элемента (96X64), 17920 элементов (160Х112) и 38400 элементов (320X240) [122]. Эффективные размеры вышеуказанных экранов соответственно 75X50, 130X90 и 160X120 мм. Некоторые экраны содержат стеклянные отражатели све­та, стенки которых имеют наклон 45° и покрыты тонким слоем золота. Шаг между кристаллами 0,8 мм (при на­личии отражателей света) и 0,5 мм (без отражателей).

Для определения яркости экрана в работе [122] пред­лагается следующая формула:

В = {epIavUBVlh2) (f/2n), (5.1)

где ЕР—световая отдача кристалла по мощности, лм/Вт;

д — шаг между элементами; f — коэффициент собирания

света.

Мощность теплового рассеяния экрана

Р = NIB р Unp = (SB/ep) (2л/f), (5.2)

тце N — число элементов экрана; S — эффективная пло­щадь экрана. Отсюда удельная мощность рассеяния

Р/S = (В/Ер) (2я//>. (5.3)

Как видим, для уменьшения удельной мощности рас­сеяния необходимо увеличить Єр, т. е. эффективность кристаллов, и f. Заметим, что f для экрана с отражате­лями вдвое больше, чем без них.

Яркость экранов, описанных в работе [122], состав­ляет 240 кд/м2 при токе 0,5 мА через элемент (при на­личии отражателей света) или 137 кд/м2 при токе 0,3— 0,5 мА через элемент (при отсутствии отражателей). По­требление энергии рассмотренными выше экранами мень­ше, чем потребление электронно-лучевой трубкой с эк­раном сравнимого размера.

В некоторых работах сообщается о разработке плос­ких многоцветных экранов для отображения цифро-бук - венного и графического материала, на основе красных GaAsi-jcPjc/GaP или GaP: Zn, О и зеленых GaP: N све­тоизлучающих кристаллов. Экраны выполнены в виде модулей, состоящих из 32X64 или 64X64 пар диодов красного и зеленого свечения. Воспроизводимая инфор­мация может отображаться в красном, зеленом, желтом или оранжевом (при совместном включении обоих кри­сталлов) цвете. Модули размером 81X81 мм (для 64Х Х64 пар) допускают бесшовную стыковку. Яркость све­чения модуля экрана 306 кд/м2. Благодаря высокой эф­фективности кристаллов (3—4 % для GaP: Zn, О и 0,3— 0,4 % для GaP: N) нет необходимости в использовании отражателей. Ток возбуждения элемента экрана 0,3 мА; максимальная потребляемая мощность модуля 4,8 Вт. Каждый модуль имеет свою схему развертки и управле­ния.

Наборные крупноформатные индикаторы предназна­чены для отображения цифровой и знаковой'информации группового пользования. Как правило, они набираются из дискретных светоизлучающих диодов. Для изготовле­ния наборных индикаторов используют светоизлучающие диоды с широкой диаграммой направленности излучения, которые монтируются на специальном держателе. В ком­
плект прибора может входить возбудитель семисегмент ного дешифратора в интегральном исполнении. ПредСТа витсль таких индикаторов — цифровой индикатор с р3з' мером цифры 38X27 мм с 22 светоизлучающими диод&і ми. Каждый сегмент индикатора состоит из трех после­довательно соединенных диодов. Десятичная запятая отображается диодом слева от восьмерки. Цифры, отоб­раженные таким индикатором, воспринимаются с рас­стояния до 21 ми под углом до 50° к оси прибора.

Имеется также сообщение о создании наборных инди­каторных матриц с числом элементов 5X7 размером 55X36 мм и 24X14 мм красного, зеленого и желтого цвета свечения.