Параметры и характеристики инжекционных СИД

ЛЕКЦИЯ_9(8). Параметры и характеристики инжекционных СИД. Схемы питания 9.1 Радиометрия и фотометрия (Янг, стр.79-83) В фотометрии имеют дело с распространением и измерением видимого излу­чения, при этом единицы измерения, которые в ней используются, основаны на чувствительности человеческого глаза. Например, сила света тождественно равна 0 для всех длин волн, не принадлежащих видимому спектру. Радиометрия— более общая дисциплина, имеющая дело с распространени­ем и измерением любого электромагнитного излучения, независимо от того, к какой области спектра оно принадлежит, и в ней используются такие фи­зические единицы, как ватт и джоуль. В фотометрии существует очень боль­шое количество единиц, что сильно осложняет дело, и в последние годы были сделаны попытки создать согласованную систему фотометрических единиц и терминов. В справочниках по СИД используют фотометрические и радиометрические единицы, поэтому будем знакомиться с теми и другими. Символ (единицы СИ) Фотометрическая единица Радиометрическая единица Определение Ф Световой поток, лм Мощность излучения, Вт I Сила света, лм •ср -1 (кд) Интенсивность излучения, Вт •ср -1 Мощность, излучаемая точечным источником в единичный телесный угол L Яркость, Лм • м -2 • ср -1 (кд•м -2) Энергетическая яркость, Вт • м -2 • ср-1 Мощность, излучаемая единичной площадью в единичный телесный угол Е Освещенность, Лм • м -2 (лк) Энергетическая освещенность, Вт • м -2 Полная мощность излучения, падающего на единичную площадь Q Световая энергия, лм • с Энергия излучения, Дж (Вт•с) М Энергетическая светтимость, Вт•м -2 Полная мощность, излучаемая (во всех направлениях) единичной поверхностью ТАБЛИЦА ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ Мощность излучения, измеряемая в Вт и световой поток, измеряемый в лм, связаны друг с другом кривой спектральной чувствительности Vλ глаза, адаптированного к дневному свету рис. 9.1 Рис. 9.1. Относительная чувствительность человеческого глаза: Р — для дневного зрения, или приспособленного к свету зрения, S — для сумеречного зрения, или при­способленного к темноте зрения. Спектральная чувствительность Vλ, нормирована на единицу, при этом за единицу взято ее максимальное значение, которое имеет место примерно при 555 нм (зеленый свет). По определению, только в неболь­шой окрестности этой длины волны справедливо соотношение 1 ватт = 683 люмена. (9.1) При всех других длинах волн зрительное ощущение, создаваемое светом 1 Вт, будет равно 683 люменам, умноженным на значение Vλ, которое всегда мень­ше 1, т.е. (683 лм • Вт -1) • Vλ.] Телесный угол, это угол под которым из источника видна малая площадка S на сфере, центр которой совпадает с положением источника. Телесный угол равен отношению S/r2, где r – радиус сферы. Полной сфере соответствует угол равный 4π стерадиан, если световой поток представляет собой прямой круговой конус с плоским углом 2α при вершине, то телесный угол ω= 2 π (1 - соs α) стерадиан 9.2 Параметры СИД (материалы из лекции 08 и справочника В.И.Иванова стр.10 – 18) Основные параметры светодиодов следующие: 1. Постоянное прямое напряжение Uпр0 - значение напряжения на светодиоде при протекании постоянного прямого тока. Как правило Uпр0 =2-3 В. 2. Максимальный допустимый постоянный прямой ток Iпр0 – максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода. Обычно он составляет десятки миллиампер. 3. Максимальный допустимый импульсный прямой ток I имп.0 максимальное значение импульсного тока при котором обеспечивается заданная надежность диода. Обычно он составляет десятки миллиампер. 4. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение Uобр0 - максимальное значение постоянного обратного напряжения при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода. Как правило - единицы вольт). 5. Максимальное допустимое импульсное обратное напряжение Uобр.имп.0 - максимальное значение импульсного обратного напряжения при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода. Как правило - единицы вольт. 6. Цвет свечения и длина волны λmax, соответствующие максимальному световому потоку. 7. Поток излучения (общая мощность, излучаемая источником) Фе (Вт), полученный при I0= I0тax 8. Поток излучения на выходе Ф0 (Вт) (выделенный из общего потока Фе в виде полезного лучистого потока), полученный при I0= I0тax. 9. Интенсивность (сила) излучения (мощность излучения на единицу телесного угла) , где  - угол раскрыва диаграммы направленности излучения при половинной силе излучения (ватт на стерадиан). 10. Диапазон температур окружающей среды при которых светодиод может нормально работать, например от – 60 до +700С. Кроме того, для СИД излучающих в видимом диапазоне представляют интерес параметры: 1. Сила света, измеряемая в канделах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел1. 2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Единицей яркости в системе СИ служит кандела на квадратный метр (кд/м2) для инфракрасных излучательных диодов основным параметром является полная мощность излучения в ваттах или милливаттах при определенном прямом токе. 9.3.. Характеристики СИД Для светодиодов обычно рассматривают следующие характеристики. Яркостная характеристика дает зависимость яркости от прямого тока, а световая характеристика – зависимость силы света от прямого тока. При малых токах и соответственно малых напряжениях на светоизлучающем диоде процесс излучения протекает неактивно. Поэтому начальный участок яркостной (световой) характеристики нелинеен. При больших токах яркостная харатеристика почти линейна. Эта часть характеристики является важнейшей – ее вид определяет оптимальный режим работы светоизлучающего диода. Желательно иметь прямую пропорциональность яркости излучения от проходящего тока, что будет соответствовать неизменности квантового выхода или неизменности отношения излучательных и безызлучательных актов рекомбинации при изменении тока. Аналогом яркостной характеристики для инфракрасных излучающих диодов является зависимость мощности излучения от проходящего тока. Спектральная характеристика показывает зависимость мощности излучения от длины волны (рис.9.2). В общем, спектральный состав излучения можно характеризовать цветом свечения полупроводниковых приборов отображения информации, а инфракрасных излучательных диодов – длиной волны излучения в максимуме спектральной характеристики. Но более подробные сведения дает, конечно, спектральная характеристика. Параметры полупроводниковых излучателей как элементов электрической схемы определяются вольт-амперной характеристикой. Вольт- амперная характеристика светоизлучающего диода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода. Но в силу того, что для создания светодиодов требуются материалы с большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния, их вольт-амперные характеристики сдвинуты вправо, т.е. при одинаковом токе имеют большие значения падения напряжения. Кроме того, различия прямых ветвей ВАХ полупроводниковых излучателей из разных материалов вызваны, прежде всего, различием в ширине запрещенной зоны и соответственно в высоте потенциального барьера на р-п-переходе (рис. 9.3). Обратные ветви ВАХ не представляют практического интереса, так как полупроводниковые излучатели с выпрямляющим электрическим переходом должны работать только при включении в прямом направлении. Следует, однако, помнить, что пробивные напряжения полупроводниковых излучателей с выпрямляющим электрическим переходом не превышают нескольких вольт. Рис. 9.3. ВАХ полупроводниковых излучателей, изготовленных на основе различных полупроводниковых материалов. Важной характеристикой является диаграмма направленности излучения, которая определяется конструкцией диода, наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала и другими факторами. Излучение может быть направленным или рассеянным (диффузным). На примерах, приведенных на рис. 9.4-9.6, иллюстрируется распространение потока излучения в виде «лепестков» диаграмм направленности для трех светодиодов. Диаграмма, представленная на рис. 9.4, относится к имеющему плос­кое окно светодиоду, боковое излучение в котором ограничивается корпусом. Ограничив диаграмму направленности по уровню 0,5 Iе (относи­тельной силы излучения), получим угловое поле 40°. Таким обра­зом можно определить «ширину  диаграммы направленности по половинной мощности», которая для рассматриваемого примера составит = 80°. На рис. 9.4 в качестве примера приведена диаграмма направлен­ности светодиода, линза которого позволяет получить угол излуче­ния 30°, между тем как в случае, представленном на рис. 9.5, этот угол составляет 10°. Светодиоды указанных выше типов обычно используются в стационарных устройствах (например, в оптических барьерах). Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются и могут изменяться в 2-3 раза Быстродействие у светодиодов высокое. Излучение возрастает до максимума в течение примерно 10-8 с после подачи на диод импульса прямого тока. Однако для устройств отображения быстродействие не является критичным. Поэтому для них временные параметры не приводятся. Длину волны (цвет) свечения можно изменять, подбирая материалы для светодиодов или добавляя примеси. На рис. 9.7 показаны спектры излучения различных материалов. Соединение GaAs при прямых переходах излучает вблизи области 900 нм (ближнее инфракрасное излучение). В соединении AlхGa1-xAs при незначительном количестве алюминия переходы прямые, но с увеличением количества алюминия свечение смещается в красную область. В соединение GaAs1-хPх с увеличением количества фосфора длина волны излучения уменьшается и при х > 0,4 переходы становятся непрямыми, а световой выход быстро падает. Если добавить в это соединение азот, возникнут центры люминесценции, называемые изоэлектронными ловушками, дающие излучение красного или желтого цвета. Соединение GaP с непрямыми переходами, содержащее атомы цинка и кислорода, дает красное свечение, а с примесью азота — зеленое. В стадии исследований находится большое количество материалов для светодиодов с синим свечением. Это SiC, GaN, ZnSe, ZnS и др. Светодиоды, излучающие в видимой области, работают в дисплеях, излучающие в ближней инфракрасной области, применяют для оптической связи, оптического дистанционного управления и как источники излучения в оптронных парах. 9.4. . Режимы питания и схемы включения СИД 9.4.1.Типовая схема включения Полупроводниковые излучатели с выпрямляющим электрическим переходом обладают относительно малым сопротивлением при включении этого перехода в прямом направлении. Поэтому такие излучатели следует считать токовыми приборами, питаемыми от источников или генераторов тока. Для обеспечения правильного режима питания светодиода необ­ходимо ограничить проходящий через него ток, для чего между светодиодом и источником достаточно поставить токоограничительный резистор R, как показано на схеме (рис.9.8). Напряжение, которое падает на этом резисторе, значительно боль­ше, чем прямое напряжение диода Uпр0. Световой поток излучаемый СИД в данном режиме питания является постоянным. В случаях, когда необходима временная модуляция света используется импульсный режим питания СИД. 9.4.2. Импульсный режим питания Из схемы, изображенной на рис.9 .7, и характеристик следует, что величина тока I0 является наиболее важной из характеристик диода, которые необходимо учитывать. Другой важной пре­дельной электрической характеристикой является максимальное значение I ИМП.0, , но эта величина используется только в том случае, ког­да светодиод работает в импульсном режиме. При работе в данном режиме питание на него поступает лишь в течение малого времени, после чего светодиод остается в покое в течение интервала времени, достаточного для того, чтобы средний ток не мог превысить значение I0. В импульсном режиме или при питании переменным током свето­диод может в определенные моменты находиться под отрицательным напряжением как если бы его подключали в обратном направлении по отношению к указанному на схеме (рис. 9.9). Это может привести к его пробою, так как светодиоды обычно выдерживают обратное напряжение, не пре­вышающее нескольких вольт. Если такая опасность и существует, то с ней легко спра­виться. Для этого достаточно, как показано на рис. 9.9, подключить кремниевый вы­прямляющий диод параллельно светодиоду, в обратной полярности к нему. Мощность излучения СИД в импульсном режиме определяется по следующему закону: Эффективное значение тока определиться: , где Q – скважность импульсов. В импульсном режиме питания можно получить мощность излучения значительно больше мощности излучения СИД в обычном режиме, но для этого необходимо подобрать скважность импульсов таким образом, чтобы Iэф не превышал максимально допустимое значение тока СИД I0т. 9.4. Конструкции СИД По внешнему конструктивному признаку выпускаемые светодиоды подразделяются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения), в пласт­массовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаун­да, создающего рассеянное излучение; и бескорпусные, во избежание механических повреждений и загрязнения поверхности поставляемые в специальной таре-сиутнике (при монтаже их приклеивают клеем ОК-72Ф). При старой системе обозначений полупроводниковых приборов светоизлучающие диоды обозначались двумя буквами: первая указывала на исходный материал, вторая являлась признаком прибора-индикатора. Например, обозначение светоизлучающего диода АЛ 102 расшифровыва­лось так: А — арсенид галлия или фосфид галлия; Л — индикатор из единичного излучающего диода; 102 — порядковый номер разработки. Если индикатор представлял собой ряд или матрицу диодов, то в обо­значении добавлялась буква С. Например, обозначение АЛС331 означа­ло: полупроводниковый индикатор на основе фосфида галлия, со­стоящий из нескольких светоизлучающих диодов, в данном случае из двух. В связи с развитием семейства полупроводниковых светоизлучаю­щих индикаторов, расширением их классов система обозначений была усовершенствована. По ОСТ 11.339.015—81 полупроводниковые приборы, выполняющие функцию индикации, обозначаются восемью элементами: первый элемент И — обозначает индикатор; второй П — полупроводниковый; третий Д — единичный светоизлучающий диод (буква М указывает, что светодиод специфического применения — для мнемонических табло); четвертый — номер разработки: номера от 01 до 69 указывают, что прибор без схемы управления, номера с 70 до 99 — со схемой управления; пятый — буква русского алфавита — обозначает, как и в старой системе, к какой груп­пе относится прибор; шестой — цифра, указывающая число диодов в ин­дикаторе (при обозначении светоизлучающих диодов единица может опускаться); седьмой — буква, обозначающая цвет: К — красный, Л — зеленый, Г — голубой, Ж—желтый, Р— оранжевый, С — синий, М — многоцветный; восьмой — цифра, обозначающая модификацию прибора (5 — это прибор бескорпусной). Например, прибор ИПД04А-1К расшиф­ровывается как: индикатор полупроводниковый из единичного светоиз­лучающего диода, без схемы управления, группы А, красного цвета све­чения. Прибор КИПД03А-1Ж-5 означает: индикатор полупроводниковый из единичного светоизлучающего диода, без схемы управления, группы А, желтого цвета свечения, бескорпусной (первая буква К указывает, что прибор широкого общепромышленного назначения). Светоизлучающие диоды в основном применяются как элементы ин­дикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряже­ния питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний. Дискретные светодиоды в пластмассовых корпусах применяются также для набора матриц и линейных шкал, служащих средствами ото­бражения крупноразмерной цифровой и линейно изменяющейся инфор­мации. Для управления матрицами, собранными из отдельных светодиодов, разработаны специальные микросхемы дешифраторов. Их параметры и схемы включения приводятся в справочных данных. Бескорпусные светоизлучающие диоды часто применяются в герметически закрытых блоках для работы совместно с фоточувствительным приемником и ин­дикации работоспособности блока. В последнем случае индикация не ныводится на переднюю панель для оперативного контроля, а необхо­дима лишь при профилактических осмотрах оборудования. Кроме рассмотренных в предыдущей главе конструкций СИД существуют специальные диоды, предназначенные для использования в ВОСП. Чтобы улучшить условия согласования СИД и оптического волокна (ОВ) разработаны специальные конструкции диодов, к ним относится диод Барраса (рис. 9.10). для уменьшения поглощения света и для сопряжения с ОВ в подложке из GaAs протравлена впадина. При этом сокращается расстояние от ОВ до р-п перехода. ОВ приклеено к излучающей поверхности СИД специальным прозрачным клеем, показатель преломления которого близок к показателю преломления сердцевины ОВ. Эти меры позволяют уменьшить потери на ввод примерно на 50%. В современных цифровых ВОСП передаются импульсные потоки с высокой скоростью. Поэтому излучатели, в частности СИД, должны обладать соответствующим быстродействием – временем, в течении которого оптическая мощность на выходе СИД достигает половины установившегося значения (рис. 9.12). для современных СИД это время составляет 210 нс. Многие параметры СИД могут быть улучшены с помощью конструкций, в которых предусмотрена канализация оптического излучения. При этом сужается диаграмма направленности и увеличивается излучаемая мощность. К таким конструкциям относятся суперлюминесцентный диод (СЛД), принцип действия которого будет рассмотрен далее.