2.3.2.  Конструкция и технология изготовления

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний кван­товый выход полупроводниковых излучателей оказывается зна­чительно меньшим из-за поглощения фотонов в полупроводнике до выхода их в окружающее пространство и из-за потерь при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом, превышающим критический угол полного внутреннего отражения:

,

где  – коэффициент преломления полупро­водника. Обычно  ≤ 17°.

Таким образом, из полупроводникового излучателя, имеющего простейшую плоскую структуру (рис. 2.6, а), в окружающее про­странство выходит только часть фотонов, возникших в выпрям­ляющем электрическом переходе или вблизи него. Внешний квантовый выход удается увеличить при использовании более сложных конструкций полупроводниковых излучателей со струк­турой с прозрачным полусфериче­ским покрытием (рис. 2.6, б). В полупроводниковых излучателях с полусферической структурой для всей поверхности угол паде­ния фотонов оказывается меньше критического угла полного внутреннего отражения при большом отношении радиусов R и r (рис. 2.6, б), т.е. при

,

где  и  – коэффициенты преломления электромагнитного излучения в полупроводнике и среде, окружающей полупровод­никовый излучатель ( = 1 для воздуха).

Однако в полупроводниковых излучателях с полусферической структурой несколько возрастают потери фотонов в результате поглощения, так как увеличивается длина их пути от места возникновения до поверхности кристалла. Все полупроводнико­вые излучатели с полусферической структурой имеют внешний квантовый выход на порядок выше, чем у излучателей с плоской конструкцией.

Значительно проще технология изготовления полупроводнико­вых излучателей с прозрачным полусферическим (или параболи­ческим) покрытием из различных пластических материалов с высоким коэффициентом преломления для увеличения критиче­ского угла полного внутреннего отражения в полупроводнике.

Основным методом формирования р-n-переходов и гетеропереходов при создании полупроводниковых излучателей на основе арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP), твердых растворов этих соединений (GaAs_1-xP_x) и других соединений типа  яв­ляется метод эпитаксиального наращивания. Обычно это жидкофазная эпитаксия, иногда – эпитаксия из газовой фазы.

Большой интерес для изготовления полупроводниковых излу­чателей представляет нитрид галлия GaN, имеющий наибольшую ширину запрещенной зоны ( =3,5 эВ) среди соединений типа A^IIIB^V, освоенных в технологическом отношении. Энергии фото­нов, которые могут быть возбуждены в этом материале, пере­крывают всю видимую область спектра. Однако независимо от метода получения и легирования нит­рид галлия обладает только электро­проводностью n-типа. Поэтому для по­лучения излучения при рекомбинации неравновесных носителей заряда в данном случае надо создать выпрям­ляющий электрический переход в виде перехода Шотки на контакте металла с нитридом галлия. В последнее время выпускаются светодиоды синего свечения и ближней ультрафиолетовой области; последние могут использоваться, в частности, для высвечивания защитных волокон при проверке подлинности денежных купюр.

Для решения проблемы создания светодиодов коротковол­новой области видимого спектра было предложено использовать GaAs – светодиод с нанесенным на его поверхность специаль­ным люминофором, осуществляющим преобразование ИК-излучения в видимый свет (рис. 2.7).

Преобразование осуществляется за счет последовательного двухступенчатого поглощения фотонов, излучаемых светодиодом, с дальнейшим испусканием одного фото
на с уровня  в основное состояние (рис. 2.7, б). В качестве преобразователя используется диэлектрик, активированный редкоземельными ионами, в качестве ионов – активаторов применя­ются иттербий (Yb³⁺) и эрбий (Er³⁺). К сожалению, суммарная эффективность такого светодиода с преобразователем пока что остается невысокой.

Разработаны двухцветные и многоцветные светодиоды. Например, выпускаются двухцветные светодиоды, объединяющие в одном корпусе два p—n-перехода с зеленым

и красным свечением, имеющие общий катод (рис. 2.8, а) или включенные по встречно-параллельной схеме (рис. 2.8, б).

Рис. 2.7. Светодиод с преобразованием излучения:

а – общая схема; б – энергетическая диаграмма

Сопоставление эффективности лю­минесценции различных материалов показывает, что квантовый выход рас­тет с увеличением длины волны. Поэто­му, если зрительное восприятие инфор­мации не является обязательным, предпочтение следует отдать инфра­красным излучательным диодам на основе арсенида галлия.

Полупроводниковые приборы отображения информации в зависимости от структуры, конструкции и, конечно, назначения могут быть разделены на светоизлучающие диоды, полупровод­никовые знаковые индикаторы, шкалы и экраны.

Светоизлучающий диод (СИД) – это полупроводниковый прибор отображения информации, представляющий собой диод.

Рис. 2.8. Принципиальные схемы

двухцветных светодиодов

Полупроводниковый излучающий элемент – часть полупроводникового прибора отображения информации, состоящая из излучающей поверхности и контактов для подключения к электронной схеме.

Полупроводниковый знаковый индикатор – это полупроводниковый прибор ото­бражения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления информации в виде знаков и организованный в один или несколько разрядов.

Одноразрядный знаковый индикатор (рис. 2.9, а) сос­тоит из семи излучающих элементов и децимальной точки, т.е. восьми р-n-переходов в одном монокристалле полупроводника, излучающих свет при прохождении тока в прямом направлении. Различные комбинации излучающих элементов, обеспечиваемые  внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и децимальную точку.

Матричный светодиодный индикатор позволяет выводить буквенно-цифровые и графические символы с высокой разрешающей способно­стью. Конструктивно такой экран (рис. 2.9, б) представляет собой на­бор из 35 светодиодов (5 х 7 элементов) на знакоместо, размещенных на диэлектрической или металлической подложке (гибрид

ный  ва­риант). В интегральном варианте все светодиоды изготавливают  на об­щей полупроводниковой пластине. Один вывод каждого светодиода связан с шиной его столбца, а другой – с шиной строки. Отображе­ние информации на светодиодных экранах производится по принци­пу матричной адресации.

Полупроводниковая шкала – это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предна­значенный для представления аналоговой информации.

Рис. 2.9. Конструкция семисегментного индикатора (а) и структура матричных экра­нов на светодио­дах (б)

Структура полупроводниковой шкалы может представлять собой либо несколько светоизлучающих диодов, расположенных вдоль одной линии, либо несколько р-n-переходов, также расположенных по одной линии на общей подложке. Еще одной разновидностью структу­ры полупроводниковой шкалы явля­ется структура с управляемой геомет­рией светящегося поля (рис. 2.10).

Область с электропроводностью n-ти­па низкоомна и поэтому является практически эквипотенциальной. Об­ласть с электропроводностью р-типа сравнительно высокоомна и поэтому при приложении внешних напряже­ний к электродам не будет эквипо­тенциальной. Распределение потен­циала в р-области зависит от напря­жения, поданного на управляющий электрод (рис. 2.10, б). Соответственно от поданного на управляющий элект­род напряжения зависит и размер светящегося поля полупроводниковой шкалы. Такие полупроводниковые шкалы могут быть использо­ваны в качестве индикаторов настройки транзисторных прием­ников, для запи
си аналоговой информации на фотопленку, в качестве шкалы различных измерительных приборов и для дру­гих целей.

Полупроводниковый экран – это полупроводниковый прибор отображения инфор­мации, состоящий из излучающих элементов, расположенных вдоль одной линии, и содержащий n строк излучающих элементов, предназначенный для использова­ния в устройствах отображения аналоговой и цифровой информации.

Рис. 2.10. Структура полупро­водниковой шкалы с управляе­мой геометрией

светящегося поля (а) и распределение по­тенциала вдоль слаболегиро­ванной

р-области при разных токах через управляющий электрод (б)

Примером полупроводникового экрана могут служить полу­проводниковые приборы отображения информации АЛ306А – АЛ306И, выпускаемые, однако, как знаковые индикаторы. Они состоят из 36 дискретных светоизлучающих диодов, соединенных в матрицу (семь строк по пять диодов и один диод отдельно) с перекрестной коммутацией и позволяющих воспроизводить циф­ры и буквы.