ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ
УСТРОЙСТВО СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены на следующие группы: 1) в металло-стеклянном корпусе; 2) в конструкции с полимерной герметизацией на основе ме- талло-стеклянной ножки или рамочного держателя;
3) бескорпусные диоды.
Диоды в металло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностью параметров, механической и климатической устойчивостью.
Диоды с полимерной герметизацией по некоторым характеристикам имеют преимущества перед диодами в металло-стеклянной конструкции: а) полимерная герметизация в большей степени позволяет осуществить перераспределение света в пространстве как в направлении сужения диаграммы направленности излучения (с завели - чением силы света), так и в направлении ее расширения;
б) полимерная герметизация увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличения угла полного внутреннего отражения на границе кристалл — полимер
в) герметизированные полимерами приборы обладают большей стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам, чем приборы в металло-стеклянных корпусах;
г) полимерная герметизация позволяет получить при необходимости малое отношение объема (габарита) прибора к объему (габариту) кристалла; д) полимерная герметизация благодаря своей технологичности позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления приборов и их стоимость. Однако диоды с полимерной герметизацией в настоящее время уступают диодам в металло-стеклянном корпусе в отношении устойчивости к длительному воздействию влажности и резкой смене температур.
Бескорпусные диоды — самые миниатюрные светоизлучающие диоды, используемые в герметизируемой аппаратуре. Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило, посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками (рис. 4.6). Отражающие стенки охватывают боковое излучение в угле примерно 45—50°. Они в значительной степени сужают диаграмму направленности излучения и увеличивают силу света в осевом направлении. Так, размещение GaP кристалла в посадочном месте, показанном на рис. 4.6, уменьшает полуширину диаграммы направленности излучения с 170 до 120° при увеличении силы света в осевом направлении примерно в 3 раза. Помещение в посадочное место кристалла с непрозрачной подложкой (например, из Gao.7Alo.3As) приводит к несколько меньшему эффекту: сужению диаграммы направленности с 120 до 75 ° и увеличению осевой силы света примерно в 1,5 раза.
|
Рис. 4.7. Ход световых лучен в полимерном куполе светоизлучающего диода: R — радиус полусферы; S — высота полимерного купола; 0М—максимальный угол, охватываемый полусферой; QM — максимальный угол вывода излучения по отношению к оси прибора; і и г — углы паденн-я и отклонения |
|
|
Одновременно с увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излучения применение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводит к улучшению восприятия излучения за счет увеличения светящейся площади и повышения контрастности. Как следует из рис. 4.6, кристалл и светящееся кольцо отражателя разделены более темным кольцом. Наличие на светящейся поверхности ярких и
|
Рис. 4.6. Распределение яркости по кристаллодержателю диода (а), содержащему посадочное место с отражающими свет стенками (б) |
темных участков увеличивает ее контрастность и способствует лучшему визуальному восприятию.
Значительное перераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, которая формирует необходимую диаграмму направленности излучения. Форму полимерной линзы выбирают, как правило, такой, что излучающий кристалл располагается между фокусом преломляющей поверхности, образованной полусферической линзой, и центром этой линзы. Фокусное расстояние определяется по формуле
/ = Яп/(п - 1), (4-1)
где R — радиус полусферической полимерной линзы; п — показатель преломления компаунда. Расстояние от центра кристалла до центра сферической поверхности определяется в зависимости от заданной диаграммы направленности излучения.
Рассмотрим, каким образом осуществить оптимизацию размеров полимерной линзы для светоизлучающих диодов различного назначения. Расчет размеров линзы иллюстрируется рис. 4.7. Некоторые геометрические соотношения для расчета линзы приведены в [109]. Угол вывода излучения по отношению к оси прибора равен
Q = 0 — г + і. (4.2)
С учетом закона Снелла
sinr = nsini (4.3)
получаем выражение для зависимости угла С от 0 и отношения S/R:
Q — в— arcsin I”п (—---------- 1 j sin 6 + arcsin lj sin oj.
(4.4)
Зависимость величины QM от S/R приведена на рис. 4.8. Как видно из рисунка, при S/i? = 1,5 величина Qm равна примерно 45°, что является вполне удовлетворительным для сигнальных светоизлучающих диодов. Для диодов с узконаправленным излучением (с углом излучения 5—15°) наиболее целесообразно использовать величину S/R —1,94-2,0. Конкретные значения S/R обычно подбирают с учетом действия отражателя света и рассеивающего эффекта, возникающего при введении в компаунд диспергирующего наполнителя.
Для получения узкой диаграммы направленности излучения весьма важно отношение R/r, где г — эффективный радиус светящейся поверхности кристалла. Чем больше это отношение, тем эффективнее работа сферической линзы. Практически для достижения угла излучения 5—15 ° отношение R/r должно превышать 15.
Сужение диаграммы направленности излучения сопровождается резким увеличением силы света. Так, для диодов с углом излучения 5—15° коэффициент оптического усиления (отношение силы света диода к силе света кристалла) достигает 40—60 (GaP) и 80—100 (Gao,7Alo,3As). Более высокий коэффициент оптического усиления ДИОДОВ ИЗ Gao.7Alo.3As обусловлен более узкой исходной диаграммой направленности излучения кристалла.
В качестве материала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинстве случаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной диа - новой смолы. Свойства компаунда представлены в табл. 4.3. Компаунд отличается весьма высоким светопропус - канием. На рис. 4.9 приведены результаты исследования светопропускания образцов компаунда толщиной 2,35 мм. Хранение образцов компаунда при температуре
|
Рис. 4.8. Зависимость величины Qu от отношения s/R для полимерного купола, изображенного на рис. 4.7 |
|
• У___ т___ >___ I |
|
550 6ВС 650 700 750 Длина Волнь,, нм |
|
Рис. 4.9. Зависимость светопропускания компаунда от длины волны излучения: |
|
|
|
/ — в исходном состоянии; 2 и 3 — через 1000 ч хранения при +100 н + 125 ”С соответственно; 4 — в исходном состо* янин с красным красителем (0,005 в. ч.) |
+70-^80 °С практически не приводит к ухудшению светопропускания. Снижение светопропускания начинает
наблюдаться при длительном хранении при температуре + 100 °С и выше, причем наибольшее поглощение света наблюдается в коротковолновой части видимого спект. ра. Введение красителя (например, красного) вызывает резкое увеличение поглощения коротковолнового света но практически не влияет на поглощение света длинноволновой части видимого диапазона. Введение красителей способствует повышению контрастности свечения за счет поглощения рассеянного света окружающего пространства. Физико-механические характеристики компаунда позволяют получать диоды в полимерной герметизации, устойчивые к жестким климатическим и механическим воздействиям.
Для изготовления сигнальных светоизлучающих диодов, как правило, применяется компаунд, диспергированный светорассеивающим наполнителем. Наполнитель позволяет увеличить размер светящегося пятна и расширить диаграмму направленности излучения (увеличить
Таблица 4.3. Оптические, физико-меха. нические и электрические свойства компаунда
|
Наименование |
Характеристика |
|
Внешний вид |
Слабо-желтый цвет |
|
Оптические свойства |
|
|
Показатель преломления при 20 °С Светопропускание, %, на длине волны /.=0,56 мкм Л=0,7 мкм (толщина образцов 4 мм) |
1,56-1,59 >80 >85 |
|
Механические свойства |
|
|
Предел прочности при разрыве, МПа Внутренние напряжения при циклировании от +20 до —70 X, МПа |
67—80 10 |
|
Электрические свойства |
|
|
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом-см Диэлектрическая проницаемость при — 20 °С и частоте 1 МГц Тангенс угла диэлектрических потерь при +60 °С и частоте 1 кГц Водопоглощение за 24 ч, % Время полного отверждения по микротвердомеру при 120 °С, ч Жизнеспособность при 20 °С, ч |
> 1015 (+20 °С) >3- ДО13 (+120 °С) 3,8 <1,8-10-* <1 8-9 > 20 |
|
|
|
А Л501 |
|
А/1102 |
|
7® |
|
АП 507 |
|
Рис. 4.10. Устройство некоторых типов светоизлучающих диодов. 1 — кристалл; 2 — полимерная защита; 3 —баллон со стеклянным окном: 4 — металло-стеклянная ножка; 5 —полимерная линза; 6 — держатель; 7—гибкий золотой вывод |
|
|
|
|
|
АЛ556 |
|
5 |
угол излучения). Одновременно он резко понижает интенсивность отраженного диодом внешнего света и, тем самым, снижает эффект отсвечивания для невключенных диодов.
Основное требование, которому должен отвечать светорассеивающий компаунд,— максимальное рассеяние света при минимальном поглощении. В основе явления рассеяния света лежит нарушение оптической однородности среды, которое обуславливает различие в скорости распространения света в ее разных частях. Нарушение оптической однородности среды может быть вызвано ка - кими-либо включениями, показатель преломления которых отличается от показателя преломления среды, в результате чего возникают эффекты преломления и рассеяния света. За счет этих эффектов свет отклоняется от своего первоначального направления. Оптимальным све - горассеивающим наполнителем следует считать оптически прозрачный аморфный материал с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления основного вещества. Этому условию хорошо отвечает, например, стекло кварцевое, оптическое, с показателем преломления ял; 1,46, измельченное до частиц размером не более 15 мкм.
|
ШС І
Рис. 4.11. Типичные диаграммы направленности излучения некоторых типов светоизлучающих диодов |
Устройство некоторых типов светоизлучающих диодов представлено на рнс. 4.10. Диод в металло-стеклянном корпусе (например, типа АЛ 102) представляет собой герметичную конструкцию с центральным расположением кристалла и гибкими выводами [50, 110, 108]. Для сбора бокового излучения, увеличения светящегося їіятна и сокращения расхода полупроводниковых материалов в конструкции держателя предусмотрен отражатель, выполненный в виде концентрического уступа, охватывающего излучающий кристалл. Диаметр светящегося пятна составляет примерно 2 мм (за счет действия отражателя) при использовании кристалла из GaP размером 0,5X0,5 мм. Кристалл на ножке защищается прозрачным эпоксидным компаундом. Назначение компаунда не только в укреплении места приварки золотого вывода, но и в просветлешш световыводящей поверхности кристалла: сила света после заливки компаундом возрастает примерно на 20—30 %. Баллон днода типа АЛ102 содержит прозрачное стеклянное окно 0 3 мм.
Диод в металло-стеклянном корпусе типа АЛ341 содержит увеличенное до 0 3,5 мм стеклянное окно, на которое нанесена полимерная линза со светорассеивающим наполнителем [108]. Полимерная линза увеличивает светящееся пятно до 0 3,5 мм и улучшает восприятие свечения. Диаграмма направленности излучения диодов типа АЛ 102 и АЛ341 (рис. 4.11) имеет ширину (по уровню 0,5 от максимальной интенсивности) примерно 60°.
Диоды с полимерной герметизацией, в основном, излавливают на многокадровых рамочных держателях. и некоторых случаях для получения высокоэффективных приборов используются рамочные держатели с встроенным отражателем света. Преимущества диодов, изготавливаемых на основе многокадровых держателей, заключаются в следующем: 1) технологичность производства, оСнованная на изготовлении держателя методом штамповки, использовании типовых высокопроизводительных установок для разводки вывода, применении групповой технологии полимерной герметизации (например, свободная заливка в многоместной форме), а также автоматизированном измерений фотометрических и электрических параметров приборов; 2) более высокая устойчивость к механическим и климатическим воздействиям по сравнению с конструкцией в полимерной герметизации на основе металлостеклянной ножки; повышенная устойчивость обусловлена разветвленным профилем поверхности сцепления эпоксидного компаунда с держателем.
Типичный сигнальиый светоизлучающий диод в полимерной герметизации, использующий медный рамочный держатель — диод типа AJ1307 с диаметром полимерной линзы около 5 мм (рис. 4.10) [105, 111]. Медный держатель обеспечивает эффективный теплоотвод от кристалла: тепловое сопротивление диодов 30—40°С/Вт. Полушнрина диаграммы направленности излучения примерно 50°' (рис. 4.11). Использование рамочного держателя, рассчитанного на 20 приборов, позволяет создать высокопроизводительную технологию сборки приборов.
Для сигнальной индикации применяют также миниатюрные Диоды с наружным диаметром 2,1—3,0 мм. Типичный представитель миниатюрных диодов — бескорпусный диод типа AJI301 [112]. Прибор имеет полимерную защиту и гибкие золотые выводы, удобные лля монтажа в микросхему.
Для подсветки постоянных надписей и меток созданы светоизлучающие диоды с узкой диаграммой направленности излучения и повышенной силой света. Типичный представитель таких диодов — Диод типа AJ1336.
Диод выполнен в конструкции с полимерной герметизацией с Полусферическим прозрачным куполом. Излучающий кристалл содержит мезаструктуру с площадью р—и-перехода около 0,08 мм5. Отношения /?/лы~17 и S/7?»2,1 (гм — эффективный радиус меза - структуры) обеспечивают сужение диаграммы направленности излучения до 5—10° (для диодов с красным свечением из Gao.7Alo.3As) и до 8—25° (для диодов с зеленым и желтым свечением из GaP) [Ю8].
