Разновидности излучающих диодов

Использование обычных p-n переходов не позволяет реализовать все потенциальные достоинства излучающих диодов. Для изготовления ИД наиболее перспективны структуры с гетеропереходами.

Гетеропереходами называются p-n переходы между полупроводниками из материалов, имеющих различную ширину запрещенной зоны. Для получения гетеропереходов хорошего качества параметры кристаллических решеток полупроводников, образующих переход, должны быть близки. Кроме того, близкими должны быть и коэффициенты термического расширения. Наиболее подходящими материалами являются тройные соединения GaAlAs, где DE₃ зависит от доли атомов Al.

В таких переходах величина потенциального барьера для электронов и дырок оказывается неодинаковой. Это приводит к односторонней инжекции носителей из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. Следовательно, коэффициент инжекции возрастает.

Внешней квантовой эффективностью – h_внеш.

,

где g – коэффициент инжекции p-n перехода ( g =I_п/I);K_опт – коэффициент вывода излучения из ИД через его оптическую систему.

Вторая отличительная особенность гетероструктур – резкое различие оптических свойств p и n областей прибора. Она проявляется в том, что длина волны излучения, генерируемого в узкозонной базе лежит правее “красной границы” поглощения эмиттерной области. Поэтому при выводе излучения через эмиттер, оно проходит через эмиттерную область ИД практически без поглощения. Кроме того, показатель преломления широкозонного эмиттера (n~ 1/DE₃) мал и излучение выводится с малыми потерями отражения от границы раздела полупроводник – воздух. По этим причинам излучающие диоды на гетеропереходах имеют большую квантовую эффективность, чем излучающие диоды на обычных p-n переходах.

Отметим также суперлюминесцентные диоды, построенные на двойных гетероструктурах. В этих структурах второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, тем самым обеспечивая их локализацию в базе. В этих диодах, помимо спонтанной рекомбинации электронов с дырками, используется процесс вынужденного излучения. Спонтанное излучение усиливается вынужденным излучением. Формируя область рекомбинационного излучения в виде полоски, можно достичь высокого уровня усиления спонтанного излучения. На концах полоски происходит сверхизлучение, интенсивность которого значительно выше, а ширина спектра значительно меньше, чем у обычных ИД.

Работа некоторых ИД основана на двойном преобразовании энергии. Сначала электрическая энергия преобразуется в инфракрасное излучение, а затем происходит преобразование этого излучения в видимый свет. Такие приборы изготавливают на основе GaAs. Преобразование в видимый свет происходит за счет возбуждения антистоксового люминофора, покрывающего излучающую поверхность диода. Достоинством таких ИД является высокая стабильность цвета при изменении прямого тока, а недостатком – низкий КПД и срок службы. Выпускаются также двухпереходные СИД с управляемым цветом свечения.

Многообразие конструкций ИД направлено на достижение малой пороговой плотности тока (большая плотность тока разогревает прибор и снижает h_внеш) и большого коэффициента вывода света. В большинстве ИД площадь p-n перехода делается значительно меньше площади светоизлучающей поверхности. При этом используется меза (б) и планарные (в) p-n переходы. Для увеличения К_опт используются полусферические конструкции p-n переходов (г).

Диоды, излучающие через боковую грань (д) имеют активную область в виде полоски. Из-за того, что слои выше и ниже полоски имеют различные показатели преломления, свет локализуется благодаря волноводному эффекту. Ширина излучаемой полоски контролируется травлением оксида кремния по боковой грани и наличием металла. Таким образом, ток через активную область ограничивается участком под металлической пленкой. В результате получается интенсивное излучение с эллиптической выходной диаграммой. ИК диоды для ВОЛС снабжены патрубком для соединения со световодом (e).

Светодиоды изготавливаются в металлических корпусах со стеклянной линзой (с острой направленностью излучения), в пластмассовых корпусах из оптически прозрачного цветного компаунда, создающего рассеянное излучение, а также бескорпусными.