Особенности характеристик светоизлучающих диодов.

До сих пор речь шла об излучательной характеристике диода, выраженной в обычных энергетических величинах. Система энергетических параметров применяется при описании свойств ИК-излучающих диодов, для регистрации излучения которых используются физические приемники – фотоприемники.

При использовании светоизлучающих диодов для визуального отображения информации (в знаковых индикаторах, при подсветке надписей и пусковых кнопок, для индикации состояния электронного устройства и др.) приемником излучения является человеческий глаз (биологический приемник). Поэтому характеристики светоизлучающего диода удобнее описывать с помощью системы световых величин. Аналогом потока излучения P_излΞ P_е , выраженного в ваттах, в этой системе является световой поток P_ν , измеряемый в люменах (лм). Световой поток P_ν - это мощность излучения, оцениваемая по ее действию на средний человеческий глаз.

Рис. 7. Диаграммы направленности излучающих диодов.

Между аналогичными параметрами световой и энергетической систем существует взаимно однозначное соответствие. Например, световой поток P_ν(λ) от монохроматического источника связан с потоком (мощностью) излучения P_e(λ) от этого же источника соотношением:

P_ν(λ)=K_m·V(λ)· P_e(λ) (42)

где коэффициент K_m равен 683 .

Функция V=V(λ) характеризует спектральную чувствительность человеческого зрения и называется спектральной световой эффективностью. Она изображена на рис.8. Интегральный световой поток P_ν от немонохро- матического источника (например, светоизлучающего диода) можно рассчитать, зная спектральную плотность потока излучения ,

по формуле

(43)

где λ₁=380 нм , λ₂= 780 нм - границы видимого диапазона спектра. (Таким образом интегральный световой поток характеризует не всю мощность излучения светодиода, а только ее «видимую» часть).

Для светоизлучающего диода излучательная характеристика (в отличие от характеристики P_изл=P_изл(I) - для ИК-диода, изображенной на рис.6) представляет зависимость силы света I_ν от величины тока I через диод. Сила света – это угловая плотность светового потока I_ν =dP_ν/dΩ , измеряемая в канделах (кд). (1 кандела=1люмен/стерадиан).

Диаграмма направленности светоизлучающего диода выражается зависимостью силы света I_ν от угла φ между данным направлением и оптической осью диода.

Рис. 8. Относительная спектральная световая эффективность.

Материалы и конструкции излучающих диодов.

При выборе полупроводникового материала для излучающего диода исходят из требуемого спектрального состава излучения, значений внутреннего квантового выхода люминесценции η_i и возможности создания совершенных гетероструктур на основе данного полупроводника для получения высоких значений эффективности инжекции γ_инж и коэффициента вывода излучения η₀ . В результате наиболее распространенными исходными материалами при изготовлении излучающих диодов являются такие полупро-водники как арсенид галлия, фосфид галлия, твердый раствор Al_xGa_1-xAs .

Если длина волны в максимуме спектра λ_m и внутренний квантовый выход люминесценции η_i определяются, главным образом, типом полупро- водникового материала, используемого для изготовления излучающего диода, то эффективность инжекции γ_инж и коэффициент вывода излучения η₀ зависят от строения кристалла с p-n-переходом и от общей конструкции диода. Так, например, особенностью конструкции Барраса, используемой в излучающих диодах для волоконно-оптических линий связи, является то, что для повышения эффективности ввода излучения в световолокно отрезок волокна через отверстие в подложке подводится максимально близко к активной области диода и закрепляется на кристалле с помощью эпоксидной смолы.

Мощность излучения диода чаще всего ограничивается повышением температуры активной области вследствие джоулева разогрева кристалла. Поэтому кристаллы мощных излучающих диодов монтируются на металлическом основании, обладающим малым тепловым сопротивлением, и диоды комплектуются дополнительным радиатором.