ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Основные параметры некоторых типов светоизлучаю - щих диодов представлены в табл. 4.4. Ниже рассмотрим подробнее характеристики приборов. Типичные значения прямого напряжения при токе 10 мА составляют для диодов из GaP 1,9—2,2 В [54, 63], для диодов из Gao.7Alo.3As—1,65—1,7 В [110]. Дифференциальное со­противление па линейном участке прямой ветви состав­ляет 3—10 Ом для диодов из GaP и 0,7—1,2 Ом для ди­одов из Gao.7Alo.3As.

Изменение прямого напряжения в интервале темпе­ратур от —60 до +70 °С не превышает, как правило, 35%, т. е. температурный коэффициент прямого напряже­ния составляет примерно 2 мВ-К-1 [54, 63].

Напряжение пробоя на обратной ветви для диодов из GaP : Zn, О находится в пределах 10—25 В, диодов из GaP:N— в пределах 30—60 В, диодов из Gao.7Alo.3As— в пределах 15—40 В. Типичное значение обратного тока при напряжении 3 В составляет 0,01—0,1 мкА. Допусти­мое обратное напряжение в процессе эксплуатации для всех типов светоизлучающих диодов 2 В.

Спектр излучения диодов из GaP: Zn, О (рис. 4.14) состоит из доминирующей полосы красного излучения (ЛуМакс = 1,76 эВ при Т—293 К) и из значительно менее интенсивной полосы зеленого излучения [54]. Максимум полосы красного излучения сдвигается в сторону боль­ших энергий фотонов при понижении температуры (тем­пературный коэффициент около 0,4-Ю-3 эВ/град). Ши­рина доминирующей полосы на уровне половины макси­мальной интенсивности 0,3 эВ.

Для диодов из GaP: N спектр люминесценции (рис. 4.15) представляет собой полосу с двумя максимумами: 2,225 и 2,190 эВ (293 К). Оба максимума сдвигаются в сторону увеличения энергий при понижении температу­ры и имеют одинаковый температурный коэффициент 0,45-Ю-3 эВ/град [63]. Иногда присутствует еще и по* лоса красного излучения, интенсивность которой значи­тельно меньше, чем полосы зеленого излучения.

Спектр излучения диодов из GaP: N, Zn—О с жел­тым свечением содержит две основные полосы (красную и зеленую) с отношением интенсивностей в максимумах зеленой и красной полос в пределах 0,15—0,45 (что со­ответствует ХЭф=578-=-590 нм).

Рис. 4.15. Спектр электролю­минесценции диодов из GaP с зеленым свечением при плот­ности тока 1 А/см2 и различ­ной температуре [63]

Спектр излучения ДИОДОВ ИЗ Gao.7Alo.3As содержит основную полосу с энергией в максимуме излучения 1,84—1,92 эВ и полушириной примерно 20 нм и побоч­ную инфракрасную полосу с ftvMакс«1,4 эВ (рис. 4.16), обусловленную переизлучением фотонов в GaAs под­ложке. Интенсивность в максимуме инфракрасной полосы составляет около 0,05 интенсивности в максимуме основ­ной полосы. С ростом температуры максимум основной полосы сдвигается в сторону меньших энергий фотонов с температурным коэффициентом 0,4 -10—3 эВ/град, соот­ветствующим температурному коэффициенту ширины запрещенной зоны.

Положение спектральной полосы и цвет свечения для диодов из GaP. Zn, О, GaP: N, Gaq.7Alo.3As не зави­сят от тока в рабочем диапазоне токов. Цвет свечения двухполосных диодов из GaP : N, Zn—О незначительно изменяется в рабочем диапазоне токов: для диодов с желтым свечением в интервале 10—20 мА эффективная длина волны излучения изменяется не более чем на

3,5 нм.

При обратных смещениях видимое глазом свечение наблюдается при контролируемом электрическом пробое. Типичный спектр излучения GaP диодов (рис. 4.17) представляет собой широкую полосу: по уровню 0,5 мак­симума он простирается от 560 до 760 нм, Я, макс«630нм.

Длина волны излучения на коротковолновом спаде, со­ответствующая уровню 0,1 максимума, равна примерно 540 нм, что соответствует энергии излучения 2,3 эВ, превышающей ширину запрещенной зоны GaP. При уве­личении тока возрастает интенсивность излучения в ко­ротковолновой части спектра. При наблюдении под мик­роскопом видны ярко светящиеся точки светло-оранже­вого цвета, соответствующие локализованным областям пробоя (микроплазмам).

Характеристика световой поток Ф — ток I для GaP диодов (при плотности тока до 2 А/см2) является про­изводной вольт-амперной и ватт-вольтной характеристик фис. 4.18) и поэтому состоит из двух степенных участ­ков [54, 63]:

Ф/Ф0 = (ШтУ Ф/Ф„ = (///C2)"s (4.7)

где п 1=2,0; «2=1,34-1,7; Ф0, /01 и /02 —предэкспоненци - альные множители в формулах (3.4), (3.5) и (3.6).

Зависимость силы света от постоянного прямого то­ча в интервале 5—30 мА (рис. 4.19, с) для диодов из GaP : N и GaP : N, Zn—О (желтое свечение) носит сверх - инейный характер, для диодов из GaojAlo^As — почти лннейна, для диодов из GaP : Zn, О и GaP : N, Zn—О і оранжевое свечение)—сублинейна (имеет тенденцию к насыщению с ростом тока). Зависимость /а=/(/), сня - ая на импульсах, почти линейна или сверхлинейна для Диодов из GaP : N, GaP : N, Zn—О (желтое свечение) и GaojAltuAs, по крайней мере до плотности тока 400 А/

Рис. 4.18. Характеристика с, товон поток Ф — ток I ДЛЯ Gjf. диодов при различной темпера™ ре [63] * *

/см2 (рис. 4.19, б). Характер

зависимости Iv=f(I) ддг диодов из GaP : Zn, О и GaP : N, Zn—О (оранжевое свечение) остается при им­пульсном питании таким же, как и на постоянном токе. В связи с вышеизложенным, светоизлучающие диоды из GaP : N, GaP : N, Zn-0 (желтое свечение),

Gao,7Alo,3As могут быть эф­фективно использованы как на постоянном токе, так и в импульсном режиме работы. Что касается диодов из GaP : Zn, О и GaP: N, Zn—О (оранжевое свечение), то в связи с насыщением ватт-ам - перной характеристики их целесообразно использовать при питании постоянным током.

Сила света диодов с узкой диаграммой направленно­сти излучения достигает 0,5 кд при токе 50 мА [108].

Типичные зависимости силы света светоизлучающих диодов от температуры в интервале от —60 до +70 °С

.

эффективных диодов с меза­структурой 113 Gac.7Alo.3As (1) и GaP : N (2)

GaP ; Zn, О и GaP : N, Zn—О (оран­жевое свечение)

близки к линейным (рис. 4.20). Температурный коэф­фициент изменения силы света AIV/IVAT для диодов из GaP:Zn, О составляет примерно -—0,01 К-1, для диодов из GaojAltuAs примерно минус 0,02 К-1, для диодов из GaP : N и GaP : N, Zn—О (желтое свечение) — примерно минус 0,006 К-!, для диодов из SiC — примерно +(0,4—

і) - ю-2 к-1.

Внешний квантовый выход излучения для эффектив­ных диодов с мезаструктурой достигает весьма высоких значений при малом токе питания (рис. 4.21). Как ви­дим, т]вн=0,8 т]вн. макс достигается для диодов из Gao.7Alo.3As при токе 2 мА (плотность тока 3 А/см2),для диодов из GaP : N при 9 мА (11 А/см2). Эти данные сви­детельствуют о низкой концентрации безызлучательных центров в области рекомбинации. Падение т]вн при повы­шении плотности тока выше 50 А/см2 обусловлено, по - видимому, разогревом р—п-перехода.

Абсолютные значения внешнего квантового выхода излучения диодов в полимерной герметизации следую­щие: а) для диодов из Gao.7Alo.3As: типичное значение 1-2%, максимальное 4% (при?»ыакс = 650-^670 нм);

б) для диодов из GaP: N: типичное значение 0,07— 0,1 %, максимальное 0,5 %.

Представленные на рис. 4.21 зависимости Цвп—ЇЩ "оказывают возможность создания диодов с почти ли­нейной ватт-амперной характеристикой в достаточно ши­роком диапазоне токов, что позволит применять их в ана­логовых оптоэлектронных устройствах. Одновременно из рис. 4.21 следует, что возможно создание диодов, эффек-

тивно функционирующих при весьма малых токах пита­ния 0,5—3 мА, что весьма важно при использовании и:: в устройствах с батарейным питанием.

Мощность излучения диодов из GaP при пропуска­нии обратного тока величиной 10 мА находится в преде­лах 0,2—0,5 мкВт, что соответствует максимальному КПД около 2,5-10_6.

Переходные характеристики светоизлучающих диодов весьма важны при использовании их в оптоэлектронных устройствах, а также в матрицах с мультиплексным уг равлением. Взаимное расположение и форма импульсов тока, напряжения и света излучающего диода показаны на рис. 4.22 [115, 116].

Сразу же после момента включения тока начинается постепенное нарастание напряжения (см. рис. 4.22), ина­че говоря, начало переднего фронта импульса напряже­ния совпадает с моментом включения тока. Передний фронт импульса напряжения тем короче, чем больше ток. Так, например, для GaP диодов при токе в несколь­ко миллиампер длительность фронта — сотни наносе­кунд, тогда как при десятках миллиампер —десятки на­носекунд.

Нарастание интенсивности света начинается не сразу после момента включения тока (как у напряжения), а с задержкой (см. рис. 4.22 и 4.23). Под временем задерж­ки подразумевается время, отсчитанное от момента включения тока, в течение которого интенсивность света нарастает до 0,1 своего стационарного значения. Время

задержки света всегда примерно равно длительности пе­реднего фронта импульса напряжения и, следовательно, тем меньше, чем больше ток. Передний фронт импульса света неэкспоненциален и укорачивается с ростом тока. При понижении температуры передний фронт импульса света удлиняется. Задержка не зависит от температуры. Длительность переднего фронта и задержка не зависят от сопротивления внешней цепи. ,

В момент выключения прямого тока напряжение скачком падает на величину, равную омическому паде­нию напряжения на остаточном сопротивлении GaP дйо- да, до напряжения менее 2 В. Основной вклад в осталь­ную часть заднего фронта дают два участка (рис. 4.24). На одном из них (участок б) напряжение сравнительно медленно спадает во времени (полочка), на следующем (конечном) участке (в) напряжение сравнительно быст­ро спадает до нуля. Наблюдается также еще и неболь­шой участок (а), следующий непосредственно за скачком напряжения (см. рис. 4.24). На этом участке напря­жение спадает до 1,6—1,7 В и скорость, спадания состав­ляет согласно оценке (5—10)-Ю6 В/с.

Полочка удлиняется как с ростом тока, так и с увели­чением сопротивления внешней цепи (при токе 100 мАи сопротивлении 85 Ом длительность полочки может дости­гать 400 не для диодов с красным свечением и 700 не Для диодов с зеленым свечением), и ее можно сильно сократить (или устранить), уменьшая прямой ток или сопротивление внешней цепи. Конечный участок присут­ствует всегда и укорачивается при уменьшении сопротив­ления внешней цепи (при сопротивлении 85 Ом его дли­тельность равна 200—300 не). При достаточно малом

Рис. 4.24. Форма заднего фрои - Рис. 4.25. Зависимость формы

та импульса напряжения для спадания интенсивности света от

GaP диода, когда присутству - тока для GaP диодов. Температу-

ют три участка [115] ра комнатная, сопротивление

внешней цепи 85 Ом [115]

напряжении (менее 1,6—1,7 В) присутствует только конечный участок.

Спадание интенсивности света начинается сразу же после момента выключения прямого тока (т. е. без за­держки), поэтому импульс света в целом оказывается короче импульса тока (см. рис. 4.22). В общем случае задний фронт импульса света состоит из двух участков: начального и последующего. Как и полочка, начальный участок удлиняется с ростом тока и с увеличением со­противления внешней цепи, в результате чего задний фронт как целое удлиняется с ростом тока (рис. 4.25) и с увеличением сопротивления внешней цепи. Начальный участок так же, как и полочку, можно устранить, умень­шая ток или сопротивление внешней цепи. Постоянная времени конечного участка, не зависит от тока и от со­противления внешней цепи, если оно меньше 150 Ом, примерно одинакова для разных диодов и при 293 К и сопротивлении внешней цепи 85 Ом равна 110—150 не. При понижении температуры в тех случаях, когда дли­тельность начального участка не превышает 50 не (при комнатной температуре), задний фронт удлиняется.

В целом все качественные закономерности нараста­ния и спадания импульса напряжения и интенсивности света для диодов красного и зеленого цвета свечения пол­ностью одинаковы. Количественные различия сводятся к следующему: длительность начального участка на зад­нем фронте импульса света и напряжения для источни­ков зеленого света больше, чем для источников красного света (при одинаковом токе и сопротивлении внешней цепи).

Светоизлучающие'диоды из Gao.7Alo.3As характеризу-* ются высоким быстродействием: при амплитудном зна­чении тока в интервале 10-1—1 А длительности фронтов нарастания и спада импульсов света составляют: тн= =30^40 не, Тсп=60ч-70 не. Превышение тсп над тн сбусловлено, по-видимому, влиянием переизлучения. Столь высокое быстродействие обусловлено прямозонной структурой полупроводника активной области и легиро­ванием его мелкозалегающими примесями.

Достигнутый в последнее время максимальный уро­вень эффективности светоизлучающих диодов для основ - ; ых цветов свечения приведен в табл. 4.5.