к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Светодиод

Светодиод - полупроводниковый диод, излучающий свет при пропускании тока через р - п-переход в прямом направлении. Физ. основу работы С. составляют процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную область р - га-структуры и излучат. рекомбинации инжектиров. носителей (см. Рекомбинация носителей заряда).

С. включает в себя активный элемент из полупроводникового монокристалла, в основном в виде кубика («чипа»), содержащего р - re-переход или гетеропереход и омич. контакты. Типичные размеры чипа: 0,3 X 0,3 X 0,25 мм. С. содержит также элементы конструкции, предназначенные для сбора излучения, повышения внеш. оптич. эффективности и формирования необходимой диаграммы направленности излучения. С. может иметь два чипа с разл. цветами свечения или один чип с двумя р - n-переходами, излучающими в двух спектральных полосах. В этом случае возможно управление цветом свечения. С. может содержать также резистор или микросхему, позволяющие управлять питающим напряжением С. (см. Интегральная схема, Микроэлектроника). С. могут иметь усложнённую конструкцию, повышающую эффективность ввода излучения в волокно, если они предназначены для использования в спец. целях, напр. в волоконно-оптич. линиях связи (ВОЛС) (см. Волоконная оптика).

С. характеризуются высокой яркостью (тыс. кд/м2), силой света (до десятков кд), силой излучения (сотни мВт/ср), внеш. квантовым выходом излучения (до 50%), широким спектральным диапазоном (8026-1.jpg 7-0,35 мкм), высоким быстродействием (до единиц не), совместимостью по входным характеристикам с транзисторными микросхемами, а по спектру излучения С. ИК-диапазона - с фотоприёмниками на основе кремния, возможностью монолитной интеграции, возможностью ВЧ-модуляции излучения путём модуляции тока накачки (до сотен МГц), низковольтностью электропитания (1,5-4 В), надёжностью и большим сроком службы (до сотен тыс. ч).

Основные механизмы возбуждения светодиода - инжекция носителей заряда и ударная ионизация .Инжекция наиб. эффективна в гетероструктурах (ГС). Вследствие разрывов в валентной зоне и зоне проводимости гетероперехода при смещении перехода в прямом направлении наблюдается односторонняя инжекция носителей заряда из широкозонного материала в узкозонный практически независимо от уровня легирования п- и р-областей. В двойных гетероструктурах (ДГ) вследствие эффекта электронного ограничения (см. Гетероструктура)повышается концентрация носителей в активной области структуры. Если толщина активной области d < L, где L - диффузионная длина инжекторов, носителей, то концентрация носителей в L/d раз превышает концентрацию в гомоструктуре при том же уровне возбуждения. Применение ДГ позволяет повысить внеш. квантовый выход излучения (hвн) при малых токах накачки. Ударная ионизация имеет место при обратном смещении р - n-перехода до напряжения электрич. пробоя. Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен, чем инжекционный.

Излучат, рекомбинация в С. осуществляется в прямозонных полупроводниках (напр., GaAs, InAs, твёрдых растворах8026-2.jpgпри х < 0,4,8026-3.jpg при х < 0,35 и др.), в к-рых абс. минимум зоны проводимости находится при том же значении квазиимпульса ,что и максимум валентной зоны. Переход электрона с сохранением квазиимпульса характеризуется высокой вероятностью и является излучательным. Длина волны излучения в максимуме спектральной полосы определяется шириной запрещённой зоны Еg по примерному соотношению8026-4.jpg. Полное число излучат. переходов R в единице объема пропорц. концентрациям электронов (n) и дырок (р)в активной области: R = Вrпр, где Вr - коэф. рекомбинации, равный для прямозонных полупроводников ~10-10 см3/с.

С. на основе гомопереходов в прямозонных полупроводниках, легированных т. н. мелкими примесями (см. Примесные уровни ),имеют существ. недостаток - сильное поглощение излучения внутри кристалла (коэф. поглощения8026-5.jpg~ 104 см"1). Снижение потерь па межзонное поглощение достигается уменьшением энергии излучения за счёт компенсации примесей в активной области (напр., в эпитаксиальной р - n-структуре GaAs, легированной Si). При сильном легировании и компенсации хаотически расположенный в пространстве заряд примесей создаёт искривление границ зон, при к-ром локальная ширина запрещённой зоны остаётся постоянной (см. Сильнолегированный полупроводник ).Это приводит к тому, что в распределении плотности состояний появляются участки при энергиях ниже зоны проводимости и выше валентной зоны - т. н. хвосты плотности состояний, пространственно разделённые в обеих зонах. В С. с такой структурой в излучат. рекомбинации принимают участие глубокие и удалённые группы состояний. При этом излучаемые фотоны характеризуются энергией, меньшей8026-6.jpgна глубину потенциальных ям8026-7.jpg , и поэтому слабо поглощаются в кристалле8026-8.jpg. Одновременно эти переходы имеют высокую инерционность (быстродействие С. примерно 0,5-1,5 мкс), т. к. плотность состояний на дне потенциальных ям мала. В связи с низким коэф. поглощения внеш. квантовый вход излучения для приборов с полусферич. кристаллом достигает8026-9.jpg

В непрямозонных полупроводниках (GaP, GaAs1-xPx при х > 0,4 и др.) эфф. излучательная рекомбинация может осущестиляться только при наличии определённого примесного центра, изоэлектронно замещающего один из атомов соединения. Роль этого центра заключается в том, что на нём образуется связанный экситон .Например, для GaP таким центром являются N, обусловливающий зелёное свечение, и комплекс Zn - О, обусловливающий красное свечение. Азот в GaP изоэлектронно замещает Р. Ввиду того что N имеет меньший ат. номер, чем Р, меньший ионный радиус и отличается по электроотрицательности, то образовавшийся нейтральный центр притягивает электрон короткодействующими силами. После захвата электрона дырка притягивается к заряж. центру кулоновскими силами и реализуется излучат. переход. Этот экситонный излучат. переход обусловливает бесфононную линию А и её фононные повторения в спектре излучения.

В непрямозонных полупроводниках наблюдается также эфф. донорно-акцепторная рекомбинация, при к-рой носители захватываются на свои примесные центры, а затем электрон переходит с донора на акцептор в акте излучат. рекомбинации. Примером может служить рекомбинация на донорно-акцепторной паре А1 - N в 6Н - SiC и 4Н - SiC, приводящая к получению синего (8026-10.jpg 480 нм) и фиолетового (8026-11.jpg 423 нм) свечения.

Для осуществления прямых переходов при большей ширине запрещённой зоны, чем дают бинарные соединения GaAs, InP и др., применяют трёхкомпопентные твёрдые растворы прямозонных бинарных соединений с малой8026-12.jpg и непрямозонных бинарных соединений с большой8026-13.jpg. Примером такого соединения является8026-14.jpg , для к-рого Г-минимум прямых переходов расположен ниже X-минимума непрямых переходов (см. Зонная теория)в значительной области составов. Твёрдые растворы8026-15.jpg и8026-16.jpg сохраняют преим. прямые переходы до анергий, соответствующих красному цвету свечения, а твёрдые растворы8026-17.jpg и8026-18.jpg - до энергий, соответствующих жёлтому и зелёному цветам свечения (рис. 1).

В целях расширения спектрального диапазона излучения применяют также четверные соединения с изовалентным замещением одновременно элементов III и V групп периодической системы элементов. Примером является соединение8026-19.jpg , позволяющее получить излучение в важном для ВОЛС диапазоне длин волн:8026-20.jpg равна 1,3 и 1,5 мкм.

Для снижения потерь света на поглощение внутри кристалла С. используют «широкозонное окно», к-рое позволяет вывести свет из активной области гетероструктуры через широкозонный эмиттер без потерь на межзонное поглощение.
8026-21.jpg

Рис. 1. Минимумы зоны проводимости GaAS1-xРx для прямого (Г, кривая 1) и непрямого (X, кривая 2) переходов в зависимости от состава твёрдого раствора.

Переизлучение света, излучаемого в направлении к подложке, в спец. фотолюминесцентном слое, ширина запрещённой зоны к-рого меньше или равна ширине запрещённой зоны активной области, позволяет в 2-2,5 раза повысить8026-22.jpg. Эти гетероструктуры (рис. 2) называют фотоэлектролюминесцентными (ФЭЛ-структурами).
8026-23.jpg

Рис. 2. Схематическое изображение изменения ширины запрещённой зоны гетероэпитаксиальных ФЭЛ-структур: 1 - область излучательной рекомбинации; 2 - область переизлучения.

В ДГ, содержащей активную узкозонную область, заключённую между двумя широкозонными эмиттерами, прозрачными для генерируемого излучения, и не содержащей поглощающий свет подложки (т. н. многопроходные двойные гетероструктуры, МДГ), фотоны, отразившиеся от поверхности внутрь кристалла, могут после многократных отражений внести вклад в выходящее излучение. При этом потерь фотонов на поглощение в активной области Ga1-xAlxAs не наблюдается в связи с тем, что поглощение происходит с переизлучением, квантовый выход к-рого близок к 1. Многопроходность приводит к резкому возрастанию hвн. Так, в С. на основе МДГ Ga1-xAlxAs (рис. 3) достигнут8026-24.jpg = 21% в красной области спектра и 38% в ИК-диапазоне.

Для снижения потерь света на полное внутреннее отражение на границе полупроводника с окружающей средой применяют следующие меры. 1) Выполняют кристалл в виде полусферы или усечённой сферы (сферы Вейерштрасса); в этом случае размер р - n-перехода существенно меньше диаметра полусферы; 2) помещают кристалл в среду с показателем преломления nвозд < n < nп для увеличения критич. угла (напр., использование прозрачного эпоксидного компаунда с n = 1.5-1,6 увеличивает выход излучения из кристалла в 2,5-3 раза); 3) применяют плоские кристаллы с мезаструктурой, позволяющие за счёт «внутр. фокусировки» излучения повысить вывод излучения в 2-3 раза; 4) создают диффузно-рассеивающую излучающую поверхность, улучшающую условия вывода излучения для лучей, падающих на границу раздела под углом, большим критического; это позволяет повысить вывод света в 1,5-2 раза.
8026-25.jpg

Рис. 4. Типичные спектры излучения светодиодов.

Характеристики светодиодов
8026-26.jpg8026-27.jpg

Рис. 3. Схематическое изображение изменения ширины запрещённой зоны МДГ в системе Ga1-xAlxAs.

Быстродействие излучающих диодов или предельная частота модуляции излучения ограничивается временем жизни неосновных носителей:
8026-28.jpg где8026-29.jpg - мощность излучения на частоте w, Р0 - мощность немодулиров. излучения,8026-30.jpg- время жизни неосновных носителей. Время нарастания и спада излучения по уровням 0,1-0,9 для С. из высокоэффективных МДГ в системе Ga1-xAlxAs с красным и ИК-излучением составляет 15- 25 нc.

Технология светодиода основана на использовании эпитаксиальных методов: жидкостной эпитаксии, газотранспортной эпитаксии, МОС-гидридной эпитаксии.

Обобщённые данные по характеристикам светодиодов приведены в табл., а типичные спектры излучения - на рис. 4.

Области применения: сигнальная индикация, подсветка постоянных надписей, отображение мнемонич. информации, блоки матриц бесшовной стыковки для создания бегущих строк и экранов большой площади, устройства дпстанц. управления бытовой и промышленной радиоаппаратурой на основе С. ИК-диапазона, излучатели для ВОЛС, для медицинских приборов, для газоанализа и влагометрии, линейки С. для копировальных и считывающих устройств персональных компьютеров, анализаторов изображения, оптопары и разобщённые оптроны в автоматике, устройства бесконтактного измерения углов между поверхностями, угл. перемещений и угл. скоростей, параметров вибрации, ухода гидроприборов и т. п.

Литература по светодиодам

  1. Берг А., Дин П., Светодиоды, пер. с англ., М., 1979;
  2. Коган Л. М., Полупроводниковые светоизлучающие диоды, М., 1983;
  3. Ishlnatsu S., Okuno Y., High efficiency GaAlAs, LED, «Optoelectronics - Devices and Technol.», 1989, v. 4, № 1, p. 21;
  4. Коган Л. М. и др., Новые светоизлучающие диоды, «Электрон. промышленность», 1990, № 9, с. 22.

Л. М. Поган

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что, когда некоторые исследователи, пытающиеся примирить релятивизм и эфирную физику, говорят, например, о том, что космос состоит на 70% из "физического вакуума", а на 30% - из вещества и поля, то они впадают в фундаментальное логическое противоречие. Это противоречие заключается в следующем.

Вещество и поле не есть что-то отдельное от эфира, также как и человеческое тело не есть что-то отдельное от атомов и молекул его составляющих. Оно и есть эти атомы и молекулы, собранные в определенном порядке. Также и вещество не есть что-то отдельное от элементарных частиц, а оно состоит из них как базовой материи. Также и элементарные частицы состоят из частиц эфира как базовой материи нижнего уровня. Таким образом, всё, что есть во вселенной - это есть эфир. Эфира 100%. Из него состоят элементарные частицы, а из них всё остальное. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 24.07.2019 - 05:16: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
22.07.2019 - 18:29: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
21.07.2019 - 14:44: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> ИНЕРЦИОИДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ЭНЕРГИИ - Карим_Хайдаров.
21.07.2019 - 14:42: ГЕОФИЗИКА И ФИЗИКА ПЛАНЕТ - Geophysics and planetology -> Сезонные колебания уровня вод морей и океанов - Карим_Хайдаров.
21.07.2019 - 09:44: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
21.07.2019 - 09:43: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Галины Царёвой - Карим_Хайдаров.
20.07.2019 - 05:34: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
20.07.2019 - 05:30: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
16.07.2019 - 10:00: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
16.07.2019 - 09:58: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
12.07.2019 - 17:46: ФИЗИКА ЭФИРА - Aether Physics -> Понятие времени и эфир - Владимир_Афонин.
11.07.2019 - 07:14: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution