5.3.5 Полупроводниковые элементы индикации

На смену газоразрядным и вакуумным элементам индикации уверенно приходят твердотельные источники спонтанного излучения - полупроводниковые индикаторы. Возможность получения яркого и чистого свечения, малая мощность потребления, длительный срок службы, небольшие габариты, надежность, экономичность, безопасность и простота в обращении, естественная совместимость электрических параметров с параметрами ИС открывают перед этими индикаторами широкие перспективы. Области применения твердотельных индикаторов все более расширяются. Наряду с использованием индикаторов в электронных часах, микрокалькуляторах, различных измерительных приборах, знаковых указателях они начинают все шире применяться в качестве элементов ИС, оптронных пар, экранов одноцветного и многоцветного изображений и еще в целом ряде устройств специального и массового назначений.

Среди полупроводниковых индикаторов наиболее широкое распространение получили светоизлучающие диоды (СИД). Они выпускаются промышленностью в виде дискретных элементов индикации, монолитных цифровых или буквенно-цифровых дисплеев. В настоящее время разработаны СИД, которые излучают свет от красного до синего цвета. По сравнению с ЭЛТ светодиод по светоотдаче на порядок менее эффективен, но намного порядков более миниатюрен.

П олупроводниковые СИД отличаются высокими техническими характеристиками. Так, яркость СИД достигает тысячи кандел на квадратный метр, внешний квантовый выход излучения достигает 40%. Совместимость по входным параметрам с ИС позволяет широко использовать их при конструировании современной микрорадиоаппаратуры. Это связано также с их высоким быстродействием (единицы наносекунд) и большим сроком службы (сотни тысяч часов). Светоизлучающие диоды, созданные для работы в инфракрасном диапазоне, послужили основой для развития новой области радиоэлектроники – твердотельной оптоэлектроники, и их часто используют в оптронах, позиционно-чувствительных фотоэлектронных устройствах, устройствах ввода-вывода информации в вычислительных комплексах, в системах оптической связи.

Основные характеристики СИД определяются механизмом рекомбинации носителей заряда. Его энергетической характеристикой является внешний квантовый выход (эффективность), который определяется как отношение числа излученных фотонов к числу рекомбинирующих электронов. Внешний квантовый выход меньше внутреннего, что обусловлено поглощением излучения в толще полупроводника и контактных выводах.

Внутренний квантовый выход светодиода η_вн выражается как отношение числа излучательных фотонов τ_ф к числу инжектированных носителей τ_н в единицу времени.

В СИД, имеющих плоскую конструкцию (рис. 5.6, а), потери излучения при переходе через границу раздела полупроводник-воздух наиболее заметны. Чтобы уменьшить эти потери используют конусообразную (рис. 5.6, б) или сферическую (рис. 5.6, в) форму диодов. Такая форма позволяет сконцентрировать излучения p-n-перехода в одном направлении.

Основной характеристикой светодиода как источника света является его яркостная (мощностная) характеристика, которая представляет собой зависимость выходной яркости от тока. Увеличение рабочей температуры уменьшает мощность излучения светодиода. Это влияет на уменьшение внешнего квантового выхода при работе на больших токах. Быстродействие светодиода ограничивается временем спада интенсивности света после включения тока. Время спада определяется скоростью излучательной рекомбинации.

Основными материалами для создания СИД являются тройные соединения типа галлий-алюминий-мышьяк или галлий-мышьяк-фосфор. Более перспективны СИД на основе соединения галлий-алюминий-мышьяк, поскольку на нем достигнуты более высокие значения квантовой эффективности и он более дешевый материал, чем галлий-фосфор-мышьяк.

С точки зрения требований к качеству материалов СИД – более прецизионный прибор, чем диод или транзистор. Он должен иметь такие же электрические характеристики, как электрический диод, но в отличие от него для СИД очень существенна «судьба» инжектированных неосновных носителей.

Конструктивно СИД выпускаются в металлостеклянном корпусе, с полимерной герметизацией на основе металлостеклянной ножки или рамочного держателя и бескорпусные. Первая конструкция позволяет достичь стабильных параметров, высокой надежности при широком изменении механических воздействий и климатических условий. Полимерная герметизация дает возможность несколько увеличить внешний квантовый выход излучения, повысить надежность, уменьшить габариты. Бескорпусные СИД используются в миниатюрной герметизируемой аппаратуре.