ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДов И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Светоизлучающие диоды и индикаторы предназначе­ны для передачи человеку информации, вырабатываемо^ устройством, машиной. В связи с этим излучение долж­но частично или полностью попадать в Пределы видимо­го человеком спектрального диапазона (0,38—0,78 мкм).

В книге Берга и Дина [21] дан подробный анализ за­конов фотометрии применительно к светоизлучающим диодам. Поэтому приведем только краткие сведения hj фотометрии и определения основных параметров, ис­пользуемых для технической оценки светоизлучающих диодов и знаковых индикаторов. В видимой части опти­ческого диапазона спектральная чувствительность чело­веческого глаза весьма неравномерна, причем она су­щественно различна для разных людей и зависит от условий наблюдения. Для обеспечения инженерной фо­тометрии Международная комиссия по освещению (МКО) определила стандартную функцию спектральной чувствительности человеческого глаза (функцию видно - сти) для дневного зрения при угле наблюдения 2 ° (рис. 4.12). Максимальная чувствительность глаза соответст­вует длине волны 555 нм; в этой точке мощность излуче­ния 1 Вт эквивалентна световому потоку примерно 680 лм.

Цвет излучения источника может быть определен или задан при помощи трех основных цветов на двухмерном цветовом графике МКО (рис. 4.13). На этом графике расположение спектрально-чистых цветов имеет форму подковы, а белый цвет, полученный смешением равных.> по яркости трех основных цветов, расположен в центре графика с координатами х=0,33 и у—0,33.

Основные параметры светоизлучающих диодов, при­меняемых в качестве сигнальных индикаторов, — это сила света, цвет свечения, угол излучения и прямое на­пряжение.

Сила света Iv — это световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении ж і Единицей измерения силы света является кандела (кд). і Выбор силы света в качестве основного фотометрическо - 1 го параметра светоизлучающих диодов обусловлен ря - ! дом факторов: 1) сила света в наибольшей степени ха­рактеризует восприятие источника света человеком; . б) сила света, в отличие от яркости, более объективно 4

характеризует излучение приборов на основе непрямо­зонных полупроводников, так как боковое излучение, весьма значительное в них, не фиксируется при измере­нии яркости; в) силу света можно измерять со значи­тельно большей точностью, чем яркость, так как пло­щадь светоизлучающих кристаллов весьма мала, а сам. кристалл закрыт полимерной линзой; измерение силы света поддается автоматизации.

Цвет свечения выпускаемых промышленностью све­тоизлучающих диодов находится в красио-зеленой обла­сти цветового графика МКО. Чистота цвета излучения диодов превышает 98%. Часто цвет свечения светоизлу­чающих диодов характеризуют длиной волны в макси­муме спектральной полосы Ямакс, доминирующей длиной волны излучения Kd или эффективной длиной волны из­лучения Яэф, определяемой координатами на цветовой диаграмме МКО [20].

Угол излучения а — это плоский угол, содержащий фотометрическую ось и образуемый направлениями, в которых сила излучения составляет не менее половины максимального значения; этот угол характеризует вос-

ит

приятие излучения светоизлучающего диода под разны­ми углами наблюдения.

Прямое напряжение Uap характеризует падение на­пряжения на диоде при классификационном постоянном прямом токе.

Важные параметры светоизлучающих диодов—быст­родействие и зависимость силы света от тока. От этих параметров зависит возможность применения импульс­ного режима питания диодов. Для применения светоиз­лучающих диодов в многоэлементных матрицах с пере­крестной коммутацией необходимо также контролиро­вать обратный ток диодов при обратном напряжении, равном І/яр.

При использовании светоизлучающих диодов в опто­электронных устройствах необходимо знать еще некото­рые параметры: силу излучения, энергетическую яр­кость, длину волны излучения.

Сила излучения /е — это поток излучения, приходя­щийся на единицу телесного угла в заданном направле­

не

нЯи. Единица измерения силы излучения — ватт на сте­радиан (Вт/ср). Если известны сила света и видность излучения К, то силу излучения можно найти по фор­муле

/е = № (4.5)

Энергетическая яркость характеризует излучение лу­чистой энергии единицей поверхности в данном направ­лении. Единица измерения энергетической яркости — ватт на стерадиан-квадратный сантиметр, Вт/(ср*см2).

Практически весьма важный вопрос — методическое обеспечение измерения важнейших параметров светоиз­лучающих диодов — силы света и угла излучения.

Измерение силы света светоизлучающих диодов представляет собой достаточно сложную задачу в связи со следующими факторами: 1) энергия излучения мно­гих типов диодов сосредоточена в узком диапазоне длин волн, в котором изменение чувствительности чело­веческого глаза весьма велико (диоды из СаР : Zn, О или GaAs0,35Po,65 :N); 2) в спектре излучения ряда ти­пов диодов имеются две полосы, что значительно рас­ширяет спектральный диапазон излучения (например, диоды из СаР : N, Zn — О или GaP : N с побочной поло­сой красного свечения на Zn — О комплексах); 3) поло­жение максимумов интенсивности в спектрах ряда типов диодов не строго фиксировано, так как зависит от со­става твердых растворов или концентрации изоэлек - тронных примесей в непрямозонных полупроводниках;

4) диаграммы направленности излучения многих типов диодов сильно различаются: от широких (более 90°) до весьма узких (5—15°); наличие узких диаграмм созда­ет дополнительные трудности при измерении силы света,

В настоящее время для измерения силы света светоизлучаю­щих диодов применяются фотометры ФПИ Эти приборы не пред­назначены для измерения световых потоков с узкополосным спект­ром. Поэтому для обеспечения необходимой точности измерения силы света была проделана специальная работа [113]. При помощи разработанного источника спектральной силы света исследовали не­которые фотометры типа ФПИ с целью установления соответст­вия относительной спектральной чувствительности их фотоприемни­ков чувствительности челореческого глаза. Результаты исследований показали, что каждый экземпляр фотометров имеет присущие толь­ко ему значения и спектральное положение отклонений чувстви­тельности, обусловленные различиями в спектрах чувствительности фотоэлементов и в спектрах пропускання корригирующих свето­фильтров. Поэтому для измерения силы света светоизлучающа* диодов необходимо выбирать прибор с минимальным отклонением чувствительности от постоянной именно в области спектральной по­лосы излучения контролируемых диодов. Возможно введение по­правок к цене деления фотометра для измерения силы света дио­дов, излучающих в различных участках видимого диапазона. По­грешность измерения силы света светоизлучающих диодов удалось снизить до ±(15—25) %.

Проведенное сравнение яркомерной и свечемерной насадок фо­тометра ФПИ показало, что применение свечемерной насадки при­водит к существенному повышению точности и воспроизводимости результатов. При измерении сигнальных светоизлучающих диодов с широкой диаграммой направленности излучения отпадает необ­ходимость в точной фиксации диодов на оси фотометра, так как угол наблюдения - ФПИ со свечемерной насадкой составляет 1,67°. Особенно эффективно применение свечемерной насадки' при измере­нии силы света диодов с узкой диаграммой направленности излу­чения, поскольку малый угол наблюдении позволяет повысить точ­ность измерения осевой силы света. Однако в этом случае необхо­димо достаточно точное совмещение оси излучения диода с осью фотометра.

В последнее время для автоматических комплексов измерения параметров светоизлучающих диодов в каче­стве фотоприемников используют кремниевые фотодио­ды ФД-7К или ФД-24К [114]. Поскольку спектральная чувствительность фотодиодов существенно отличается от кривой видности, проводится корригирование ее с по­мощью светофильтров. Достичь приемлемой точности корригирования удается только в ограниченном диапа­зоне длин волн для измерения светоизлучающих диодов одного цвета свечения. Погрешность корригирования может быть существенно уменьшена путем калибровки чувствительности фотоприемника с помощью образцово­го светоизлучающего диода с известной силой света, спектральные и пространственные характеристики излу­чения которого аналогичны характеристикам измеряе­мых приборов. 7

Угол излучения светоизлучающего диода измеряется при помощи специального устройства, в котором диод вращается вокруг оси, проходящей через него, а сигнал снимается с неподвижного фотоумножителя. Цвет све­чения светоизлучающих диодов определяется визуальным сравнением с контрольным образцом. Прямое напряже­ние диодов измеряется по методике ГОСТ 18986.3-73.

Для оценки эффективности преобразования светоиз­лучающим диодом электрической энергии в световую применяются несколько параметров.

Световая отдача по мощности характеризует световой поток, генерируемый на 1 Вт подводимой электрической мощности. Единица измерения — люмен на ватт. При­менительно к светоизлучающим диодам световая отдача по мощности часто рассматривается в виде зависимости светового потока, излучаемого с единицы площади кристалла, от входной мощности, приведенной к единице площади кристалла [21]. В этом случае па­раметр световой отдачи характеризует не только эффек­тивность источника, но и косвенно его экономичность (материалоемкость, себестоимость и т. п.).

Световая отдача по току характеризует световой по­ток, отнесенный к единице прямого тока [21]. Единица измерения—-люмен на ампер (лм/А). В ряде случаев этот параметр более удобен для расчетов.

Сила света по мощности характеризует силу света, отнесенную к единице подводимой электрической мощ­ности [110]. Единица измерения — кандела на ватт (кд/Вт). Этот параметр удобен для светоизлучающих диодов, поскольку они имеют различные диаграммы на­правленности излучения. Он позволяет, в частности, весь­ма полно характеризовать эффективность светоизлучаю­щих диодов с узкой диаграммой направленности, пред­назначенных для подсветки надписей или меток.

Весьма распространен в литературе параметр — внешний квантовый выход излучения г}вн; единица изме­рения— фотон/электрон. Внешний квантовый выход — это отношение числа фотонов, испускаемых светоизлуча­ющим диодом за 1 с, к числу электронов, пересекающих р—«-переход в 1 с. Для большинства диодов этот кри­терий близок по значению к коэффициенту полезного действия, так как значение прямого напряжения близка к значению энергии фотонов. Формулы для расчета ве­личины т]вн и КПД следующие:

тіші = Pell пр Лгмакс; КПД = PIIпр Un р, (4.6) где Р — полная мощность светового излучения; ftvMакс — энергия в максимуме спектральной полосы излучаемых фотонов.

В том случае, когда входное напряжение существен­но превышает энергию фотонов (например, в светоизлу­чающих диодах из GaN), более правильно применять вместо внешнего квантового выхода излучения критерий коэффициента полезного действия.