Параметры и характеристики излучающих диодов

Излучающие диоды в зависимости от длины волны оптического излучения подразделяются на излучающие в видимой области спектра (светодиоды – СИД) и излучающие в инфракрасной области спектра (ИК-диоды). Рассмотрим основные параметры и характеристики этих приборов.

Зависимость потока излучения Ф_е от прямого I_пр тока называется излучательной характеристикой Ф_е=f(I_пр) ИК диодов. Для СИД излучательная характеристика задается зависимостью силы света I_v от прямого тока.

ИК – диоды способны обеспечить поток излучения в пределах 0,2…40 мВт. СИД дает силу света 0,04…150 мКд. Излучательную характеристику ИК диода часто называют ватт-амперной характеристикой.

Характеристика Ф_е=f(I_пр) определяется зависимостью квантового выхода от прямого тока, протекающего через прибор I_пр. С ростом прямого тока происходит рост коэффициента инжекции, а следовательно, и квантового выхода. Следует отметить, что зависимость мощности излучения от величины тока в области рабочих токов, близка к линейной.

Дальнейшее увеличение I_пр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности ИД. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность ИД. При этом излучающий диод начинает разогреваться и внешний квантовый выход падает, что также ведет к уменьшению потока излучения.

Следует отметить, что сила света СИД изменяется с ростом температуры по экспоненциальному закону:

,

где I_vo – сила света при комнатной температуре;

k= ln(TKI_v);

ТКI_v – температурный коэффициент силы света TKI_v = –1,86 %/⁰C.

Сила света изменяется (уменьшается) примерно на 1% при увеличении температуры на 1⁰С.

Зависимость потока излучения от длины волны оптического излучения называется спектральной характеристикой ИД. Длина волны излучения определяется разностью энергетических уровней, между которыми протекает излучательная рекомбинация. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит между группами энергетических уровней, то спектр излучения ИД оказывается размытым.

В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах ИД. При увеличении температуры не только уменьшается эффективность ИД, но и увеличивается длина волны l_max, т.е. максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону ИК-области. Это связано с уменьшением эффективной ширины запрещенной зоны полупроводника с ростом температуры. Для большинства ИД увеличение длины волны излучения составляет 0,1…0,2 нм/⁰С.

Спектральный диапазон ИД характеризуют шириной спектра излучения Dl_0.5, измеряемой на высоте 0,5 максимума характеристики. Для GaAs-, GaAlAs-, GaAsP-излучающих диодов ширина спектра Dl_0.5=25–100 нм. Излучение большинства ИД близко к квазимонохроматическому (Dl/l_max<<1) и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве. Спектральные характеристики ИД могут быть с одним или двумя ярко выраженными максимумами.

Распределение излучения ИД в пространстве определяется диаграммой направленности и углом излучения.

Диаграмма направленности ИД показывает уменьшение мощности излучения (силы света) в зависимости от угла между направлением излучения и центральной оптической осью прибора. Углы излучения Q измеряются на уровне 0,5 от максимальной мощности.

С помощью диаграммы направленности и угла излучения можно определить мощность потока излучения (силу света), воспринимаемого фотоприемником (глазом), расположенным под некоторым углом к геометрической оси излучателя. В пределах угла излучения Q мощность (сила) излучения составляет не менее половины ее максимального значения. Вид диаграммы направленности определяется конструкцией диода, его корпусом, а также применением фокусирующих или рассеивающих линз.

Для индикаторных светодиодов необходима широкая диаграмма направленности, а для ИК–диодов, работающих в составе волоконно-оптических линий связи, нужна узкая диаграмма направленности. Таким образом, излучение прибора может быть узконаправленным или рассеянным. Для плоской конструкции светодиода угол Q определяется критическим углом полного внутреннего отражения.

С точки зрения элемента электрической цепи, излучающие диоды имеют вольт-амперную характеристику (ВАХ) обычного p-n перехода.

 

По сравнению с вольт-амперными характеристиками Ge и Si p-n переходов ВАХ ИД имеют две особенности:

1. Так как ширина запрещенной зоны у полупроводниковых материалов ИД больше ширины запрещенной зоны Ge и Si, то прямое падение напряжения на ИД больше, чем на Ge и Si диодах. Естественно, электрические потери в излучающих диодах будут больше.

2. Так как излучающие диоды - это высоколегированные p-n переходы, то напряжение пробоя их малы (единицы вольт). Обычно на ИД вообще не рекомендуется подавать обратные напряжения.

Важным параметром излучающих диодов при их работе в оптоэлектронных устройствах является быстродействие. При этом следует различать быстродействие в режиме большого сигнала (импульсный режим) и в режиме малого сигнала (высокочастотный режим). В импульсном режиме быстродействие оценивается при подаче прямоугольного импульса прямого тока. Время переключения ИД складывается из времени включения t_вкл и времени выключения t_выкл излучения.

Быстродействие ИД зависит как от уровня электрического сигнала, так и от скорости излучательной рекомбинации. Чем больше величина I_пр, тем быстрее перезаряжается барьерная емкость перехода ИД и быстрее происходит накопление неравновесных носителей около p-n перехода, т.е. с ростом I_пр – t_вкл уменьшается. Однако большой накопленный заряд неравновесных носителей дольше рассасывается после снятия I_пр, поэтому t_выкл с ростом I_пр увеличивается.

Рис. 2.7

Но главный вклад в быстродействие ИД вносит скорость излучательной рекомбинации. Наибольшая её величина наблюдается при прямозонной рекомбинации. Поэтому наибольшим быстродействием обладают GaAs- излучающие диоды инфракрасного диапазона. Для них t_вкл, t_выкл порядка 10^-9–10^–7с. Рекомбинация через примесные центры идет более медленно, так как носители сначала залипают на этих центрах, а лишь спустя некоторое время захватывают носители противоположного знака. Поэтому GaP- светодиоды видимого света с различными типами примеси имеют t_пер= 10^-7…10^–6с. Но, как правило, эти диоды являются индикаторными приборами, для которых высокое быстродействие не важно, так как инерционность человеческого зрения составляет около 50 мс.

Следует отметить, что количественные характеристики инерционности в высокочастотных и импульсных режимах, как правило, отличаются друг от друга. Модуляционная характеристика.

Граничная частота f_гр – определяется в режиме малого сигнала, когда через излучающий диод протекает постоянный ток прямого смещения I⁰_пр, на который накладывается гармоническое возмущение I_пр(t)=I⁰_пр+DI_пр ^. sin(2pf), причем DI_пр/I⁰_пр<<1. При этом инерционность определяется лишь временем жизни носителей заряда.

При переключении в импульсном режиме используется режим большого сигнала, поэтому скорость релаксации зависит еще и от таких процессов как перезаряд паразитных емкостей. Поэтому на практике 1/f_гр <t_вкл. Например, ИД, имеющий инерционность в импульсном режиме t_вкл=15‑20 нс, в режиме малого сигнала может иметь f_гр=500 МГц ( т.е. 1/f_гр=2 нс). Лишь при короткозамкнутой нагрузке высокочастотный и импульсный режимы становятся почти эквивалентными. При этом могут быть достигнуты теоретически предельные цифры (для GaAs t_вкл =0,3‑0,5 нс, f_гр =1–2 ГГц).

Важной особенностью ИД является присущая им деградация – постепенное уменьшение мощности излучения при длительном пропускании через прибор прямого тока. Эмпирически установлено, что спустя некоторый начальный период приработки, снижение мощности излучения подчиняется экспоненциальному закону:

,

где t_дегр – постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации.

Деградацию связывают с увеличением концентрации центров безизлучательной рекомбинации, за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов. Также играет роль дезактивация части излучательных центров за счет их перехода из узлов кристаллической решетки в междоузлия. Минимально возможный уровень деградации при приемлемой мощности излучения достигается, когда рабочий ток составляет 40…50 % от максимально допустимого. Для большинства ИД вполне достижимо t_дегр =10⁴ч и возможно увеличение до 10⁵…10⁶ч.