16.4.5 Светодиодные устройства отображения видимой информации

Светодиодные (полупроводниковые) индикаторы представляют собой твердотельные приборы, работающие на p-n - переходах и в основном применяются для отображения знаковой информации при относительно небольших размерах символа и ограниченном числе знакомест. Одной из отличительных особенностей светодиодных индикаторов является их совместимость по электрическим характеристикам с обычными интегральными микросхемами. При напряжении питания 3.5 В светодиодные индикаторы обладают малой инерционностью (менее 50 нс) и небольшими габаритами. Матричные светодиодные индикаторы являются основой построения панелей.

Рассмотрим физические основы работы ППИ. Различают электролюминесценции инжекционную, возникающую при прохождении тока через прямосмещенный p-n - переход (эффект Лосева) и, предпробойную, появляющуюся при наложении на слой люминофора сильного электрического поля (эффект Дестрио). На первом из этих эффектов основано действие светодиодных индикаторов, в на втором -электролюминесцентных индикаторов.

Известно, что в полупроводнике внешние оболочки атомов, создающих кристаллическую структуру, в результате значительного сближения образуют определенные энергетические зоны. В так называемой валентной зоне располагаются электроны, обеспечивающие связь атомов в кристалле. Отдельные электроны под воздействием тепловой энергии могут переходить в другую зону, называемую зоной проводимости. При этом переходе образуется свободное энергетическое состояние, получившее название дырка. Обычно при этом возвращаемая энергия выделяется в виде тепла, однако при определенных условиях (сохранение энергии и импульса при рекомбинации) происходит излучение фотона (рис.16.23). Эти условия обеспечиваются в ряде материалов, таких как фосфид галлия (GaP), арсенид галлия (GaAs) и в их сплавах с легированием цинком и некоторыми другими элементами. В зависимости от материала полупроводника и концентрации примесей излучение имеет определенную длину волны, что позволяет создавать светодиодные индикаторы с различным цветом свечения. Так как переход электронов осуществляется не с дискретных уровней, а с зон разрешенных состояний, имеющих определенную ширину, то излучение не является

монохроматическим.

При прямом смещении p-n - перехода высота потенциального барьера снижается и электроны из n-области диффундируют (инжектируются) в p-область, где они рекомбинируют с дырками. Аналогичным образом дырки из p-области могут диффундировать в n-область и там рекомбинировать (в реальных приборах преобладает диффузия только одного вида носителей, причем таковыми обычно являются электроны). Таким образом, рекомбинация в светодиодных индикаторах поддерживается благодаря инжекции неравновесных носителей сквозь p-n - переход.

Рассмотрим теперь факторы, определяющие спектральный состав излучения p-n - перехода. Как известно, длина волны рекомбинационного излучения связана с шириной запрещенной зоны соотношением

, (16.3)

где ΔЕ – ширина запрещенной зоны или энергия излучающего уровня.

Так как длинноволновый порог чувствительности глаза соответствует λ=700 нм, то минимальная ширина запрещенной зоны в полупроводниковых индикаторах согласно выражения (16.3) должна быть приблизительно равна 1,7 эВ. Такие материалы как германий или кремний имеют малую ширину запрещенной зоны (германий - 0,7 эВ, кремний - 1,1 эВ), что соответствует области излучения ИК области спектра, поэтому эти материалы не могут быть применены для индикации. В таблице 16.1 приведены характеристики некоторых материалов, способных создавать излучение в области видимого спектра.

Таблица 16.1 характеристики некоторых полупроводниковых материалов

Материал	Цвет излучения	Длина волны, мкм	Яркость, кд/м2
GaP: ZnO	Красный	0,699	350
GaP: N	Зеленый	0,550	470
SiC	Желтый	0,590	10
GaAs0.35P0.65:N	Оранжевый	0,632	−
GaN	Голубой	0,44	−

Для создания индикаторов широко применяется твердый раствор тройного соединения GaAs_1-xP_x. Изменяя значения атомной доли x можно регулировать ширину запрещенной зоны соединения и получать материалы с различным цветом свечения. Возможности изменения цвета свечения у светодиодных индикаторов достаточно широки и достигаются следующими способами:

1. Смешением двух или нескольких цветов. Для этого полупроводниковый прибор должен содержать хотя бы две p-n структуры, генерирующие излучение разных цветов, и быть прозрачным в заданном диапазоне длин волн.

2. Изменением тока однопереходной двухполюсной p-n - структуры. При увеличении тока цвет свечения изменяется благодаря насыщению одного цвета и увеличению интенсивности другого цвета.

3. Встречным включением параллельных диодов с различным цветом свечения. При изменении полярности питающего напряжения меняется излучаемый цвет.

4. Использованием антистоксового люминофора для преобразования ИК-излучения. В этом случае, например, красный цвет может создаваться излучением GaAs_0,6P_0,4, а зеленый - излучаться люминофором NaYF₄:YB,Eu, преобразующим ИК излучение GaAs:Si.

Для изготовления цифровых и цифро-буквенных и матричных светодиодных индикаторов используют технологические методы, широко применяемые в производстве интегральных микросхем. В зависимости от размеров светодиодные индикаторы изготовляются по монолитной и по гибридной технологии. В первом случае - это интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то такие светодиодные индикаторы имеют малые размеры. Во втором случае излучающая часть индикатора представляет собой сборку дискретных светодиодов на миниатюрной печатной плате. Гибридный вариант является основным для средних и больших светодиодных индикаторов. В любом случае требуются специальные конструкторско-технологические методы для вывода светового излучения наружу с малыми световыми потерями.

Рассмотрим основные варианты конструкций светодиодных индикаторов (рис. 16.24). Светодиод это миниатюрный полупроводниковый источник света. У него отсутствует вакуумная оболочка, время готовности равно нулю, он стоек к механическим ударам и вибрациям. Простейший светодиод имеет плоскую конструкцию (рис. 16.24 а). Такой диод не сложен в изготовлении и соответственно имеет малую стоимость. Однако здесь используется узкий пучок излучения, который ограничен электродами, и имеют место большие потери излучения из-за полного внутреннего отражения на границе полупроводник - воздух. Потери излучения плоского светодиода из-за полного внутреннего отражения можно несколько уменьшить, если на поверхность полупроводника нанести полусферическое покрытие из материала, имеющего коэффициент преломления, промежуточный между воздухом и кристаллом (рис. 16.24 б). Лучшие светотехнические характеристики имеет полусферическая конструкция светодиода (рис. 16.24 в). В ней n-области полупроводника придается форма полусферы. В результате угол выхода излучения существенно расширяется и резко снижаются потери на полное внутреннее отражение, поскольку световые лучи подходят к границе раздела полупроводник-воздух практически перпендикулярно. Эффективность полусферической конструкции примерно в десять раз превышает эффективность плоской конструкции, однако она намного сложнее в изготовлении и соответственно дороже. Типичные размеры светодиода малы, поэтому для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла используют линзы, рефлекторы, фоконы (рис. 16.24 г,д). Применение таких устройств позволяет также повысить контраст изображения. Размеры знаков светодиодных семисегментных индикаторов варьируются от 3 до 50 мм, что дает возможность визуально контролировать изображение на расстояниях до 10 м.

Светодиодные индикаторы изготовляют в виде семи- или более сегментных, буквенно-цифровых, шкальных и матричных индикаторов. Информационные светодиодные панели больших размеров в основном изготавливают из отдельных светодиодов, расположенных по строкам и столбцам. Необходимый светодиод зажигается при подаче напряжения на нужную колонку и столбец. В информационных панелях большого размера для повышения емкости выводимой информации широко используют «бегущую строку».

Преимущества светодиодных индикаторов как устройств отображения видимой информации следующие:

• низкое (порядка 3 В) управляющее напряжение;

• простое сопряжение с выходами интегральных микросхем;

• большие углы обзора;

• высокое (до 50 нс) быстродействие;

• высокая механическая прочность;

• возможность считывания информации на больших (до 10 м) расстояниях даже в полной темноте.

К недостаткам светодиодных индикаторов следует отнести:

• невозможность создания информационных панелей больших размеров с малыми размерами пикселя;

• затруднение при считывании информации в условиях прямого падения световых лучей;

• относительно большая потребляемая мощность (от 10 до 50 мВт на светодиод) и большие токи (от 3 до 20 мА на светодиод).