Rs=R0ехр[(4·p·s)2/l2], (1.13)
Таблица 1.1 - Основные материалы для светодиодов
Полупроводник
4050
710, А
Цвет
Эффективность
%
Быстродействие,
Нс
GaAs
9500
9000
ИК
12; 50 5* 0
2
10 5-7 0...10 5-6 0
10 5-9 0...10 5-8 0
GaP
6900
5500
Красный
Зелёный
7
0,7
GaN
5200
4400
Голубой
0,01
0,005
GaAs 41-x 0P 4x 0
6600
6100
Янтарный
0,5
0,04
3 77 010 5-8 0
Ga 41-x 0Al 4x 0As
8000
6750
12
1,3
10 5-8 0
In 41-x 0Ga 4x 0P
6590
5700
Желто-зеленый
0,2
0,1
Полупроводниковые светоизлучающие диоды изготавливают в настоящее время на основе бинарных и нтерметаллических соединений типа AIIIBV и многокомпонентных твердых растворов этих соединений. В данной главе будут кратко рассмотрены основные электрофизические свойства наиболее широко применяемых в производстве ветоизлучающих диодов полупроводниковых соединений –GaAs и GaP.
Большое внимание к GaAs в начальный период исследования соединений типа АIIIВV было связано с представлением о том, что На основе GaAs возможно создание высокочастотных и высокотемпературных транзисторов, так как подвижность электронов в нем значительно выше, а их эффективная масса почти на порядок меньшие, чем в Ge. Однако эти ожидания не оправдались, так как время жизни носителей в GaAs оказалось весьма малым.
Первые важные области применения GaAs были связаны с использованием его для производства туннельных диодов. Значительную и все возрастающую роль GaAs играет в производстве фотопреобразователей солнечной энергии в электрическую.
Наиболее массовое применение GaAs нашел в производстве диодных источников спонтанного и когерентного излучений. На основе GaAs созданы высокоэффективные излучающие диоды инфракрасного диапазона, находящие разнообразные применения в оптоэлектронике. Широкое применение в производстве светоизлучающих диодов, знаковых индикаторов, лазеров и ИК диодов находят твердые растворы GaAs с GaP и AlAs.
Основной промышленный метод получения GaAs - метод Чохральского. Значительное распространение находит также горизонтальная направленная кристаллизация по методу Бриджмена. Монокристаллы GaAs по параметрам распределяются на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те, Sn или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn [1].
Содержание посторонних примесей в GaAs n- и р-типов не превышает (% по массе): 1·10-5% Cu; 6·10-5% Со; 1·10-4% Fe; 5·10-6% Mn; 5·10-5% Cr; 2·10-5% Ni.
GaP, так же как и GaAs, кристаллизуется в структуре цинковой обманки с ребром элементарной кубической ячейки 5,4506 А. Кратчайшее расстояние между центрами ядер элементов решетки GaP равно 2,36 А, что составляет сумму атомных радиусов Р (1,1 А) и Ga (1,26 А).
Промышленное получение монокристаллического GaP осуществляется в две стадии: синтез-получение крупных поликристаллических слитков и выращивание монокристаллов по методу Чохральского из расплава, находящегося под слоем флюса. Монокристаллы GaP по параметрам делятся на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те или S или ничем не легируются, монокристаллы р-типа легируются Zn, монокристаллы высокоомного GaP легируются хромом или другими примесями с глубокой энергией залегания. Следует отметить, что в связи с условиями выращивания (высокая температура, высокое противодавление Р, наличие флюса, отсутствие стойких контейнерных материалов) монокристаллы GaP характеризуются высоким уровнем неконтролируемых фоновых примесей (примерно 5·1016-1·1017 см-3), а также высокой плотностью дислокации (более 104 см-2). Поэтому монокристаллы GaP не обладают пригодной для практики люминесценцией и для получения светоизлучающих р-n-переходов необходимо выращивать эпитаксиальные слои GaP.
Uгас. – напряжение гасящее;
Uпит. – напряжение питания;
Uсв. – напряжение светодиода;
Iсв. – ток светодиода ;
Rсв. – нагрузочный резистор светодиода;
Есв. – эффективность светодиода;
F – световой поток;
Р – мощность;
Ω – телесный угол;
α – угол наблюдения;
Исходные данные:
Ток светодиода – 20 mA;
напряжение сети – 9 В;
напряжение светодиода – 3,6 В;
угол наблюдения – 15°;
сила света – 6,4 кд
Эффективность E светодиодов (далее СИД) определяется отношением светового потока F, производимого СИД к «закачанной» в него мощности P. Это общая эффективность, включающая в себя энергетическую эффективность самого СИД, зависящую от физики работы, материала и конструкции СИД и световую эффективность зрения для спектра излучения данного СИД. Общая эффективность измеряется в люменах (лм) на ватт (Вт):
E=F/P, лм/Вт (2.1)
Но, так как производители указывают, как правило, в качестве основного светотехнического параметра СИД силу света I, измеряемую в канделах, то нужно пересчитать канделы в люмены. Сила света определяет пространственную плотность (интенсивность) светового потока (luminous intensity):
I=F/Ω, лм/ср (2.2)
где Ω – телесный угол, измеряемый в стерадианах (ср).
Для того чтобы ознакомиться с понятием телесного угла, придется совершить краткий экскурс в стереометрию. Площадь поверхности шара радиусом R составляет 4πR2. Если выделить на поверхности шара область площадью R2, то мы получим конус с пространственным углом как раз в один стерадиан. Запомним, что полная площадь поверхности шара составляет 4π стерадиан. Полезно знать, что телесный угол Ω связан с плоским углом α соотношением:
Ω=2π(1-cosα/2), ср (2.3)
Тогда α(1ср)=65°32', α(πср)=120°, α(2πср)=180°, α(4πср)=360°. Угол α это и есть угол, приводимый изготовителями панели как угол наблюдения или угол излучения (viewing angle или radiation angle), определяемый по спаду силы света на 50%.
Теперь, зная приводимый изготовителями угол наблюдения, можно приблизительно определить световой поток СИД: F=IΩ.
Для примера возьмем белый светодиод NSPL500S (Nichia) с углом наблюдения α1=15°. Тогда телесный угол, рассчитанный по формуле (2.3):
Ω=2π(1-cosα/2)=2*3,14(1-cos15/2)=0.0538
Сила света этого СИД 6.4 кд. Значит световой поток, рассчитанный по (2.2) составит:
I=F/Ω, →F=I Ω= 6.4*0,0538=,0344лм.
F1=0.344 лм.
Прямое падение напряжения на СИД составляет 3.6 В при токе 20 mА. Следовательно, «закачиваемая» в СИД мощность составит:
P=U*I=3.6B*20mA=0.072Вт
а эффективность, в соответствии с (2.1) составит:
E1= F/P =0.344лм /0.072Вт=4.78 лм/Вт.
Более точно телесный угол можно определить по диаграмме излучения, обычно приводимой изготовителями в полярных или декартовых координатах. Для СИД NSPL500S диаграмма выглядит так:
Рисунок 2.1 Диаграмма излучения
Когда мы рассчитываем телесный угол по углу наблюдения, то предполагаем, что излучение сосредоточено в прямоугольнике шириной 15 градусов, высотой единица и площадью S1=15 условных единиц (прямоугольник с зеленой штриховкой). Но если рассчитать площадь под кривой диаграммы направленности (сосчитать интеграл), то она составит S2=17.5 условных единиц (на графике показан равный по площади прямоугольник с красной штриховкой). Это эффективный угол наблюдения. Следовательно, для более точного расчета нужно использовать угол α2=17.5°. Тогда:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6