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 (GaAs1-xPx) 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 AIIIBV, 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.