Светодиоды
Светоизлучающий
диод
(
СИД
) –
это
полупроводниковый
диод
,
излучающий
свет
при
пропускании
тока
через
p–n-
пере
-
ход
в
прямом
направлении
.
Физическую
основу
работы
СИД
составляют
процессы
инжекции
неосновных
носителей
заряда
в
активную
область
p–n-
структуры
и
излучательная
рекомбина
-
ция
(
выделение
энергии
при
переходе
электрона
из
зоны
прово
-
димости
в
валентную
зону
)
инжектированных
(
от
лат
. injectio –
вбрасывание
)
носителей
.
СИД
включает
активный
элемент
из
полупроводниково
-
го
монокристалла
в
виде
кубика
(
чипа
)
с
типичным
размером
0,3×0,3×0,25
мм
,
содержащего
p–n-
или
гетеропереход
и
оми
-
ческие
контакты
для
управления
питающим
напряжением
.
СИД
может
иметь
усложненную
конструкцию
,
повышающую
эффективность
ввода
излучения
в
волокно
.
По
сравнению
с
полупроводниковыми
лазерами
СИД
обла
-
дают
более
широким
спектром
излучения
,
полоса
модуляции
у
них
уже
,
а
эффективность
связи
с
оптическим
волокном
ниже
.
Однако
,
не
будучи
«
пороговым
прибором
»,
они
имеют
также
ряд
преимуществ
:
высокую
надежность
(
большой
срок
службы
),
про
-
стоту
изготовления
,
низкую
себестоимость
.
Поэтому
они
находят
широкое
применение
в
качестве
источников
света
в
системах
пе
-
редачи
на
небольшие
расстояния
с
шириной
полосы
до
несколь
-
ких
десятков
МГц
,
например
для
внутренней
связи
в
пределах
здания
,
самолета
,
корабля
,
автомобиля
и
т
.
д
.
По
способу
вывода
излучения
СИД
подразделяются
на
дио
-
ды
с
поверхностными
излучателями
и
на
диоды
с
торцевыми
из
-
лучателями
.
В
СИД
с
поверхностным
излучателем
свет
излучается
в
на
-
правлении
,
перпендикулярном
поверхности
перехода
(
рис
. 8
.18,
а
).
Для
улучшения
отвода
тепла
от
активного
слоя
одна
сторона
вы
-
ращенного
слоя
прижимается
к
теплоотводу
,
а
вывод
излучения
осуществляется
со
стороны
подложки
.
Для
вывода
излучения
через
165
поглощающую
подложку
на
арсениде
галлия
в
AlGaAs
СИД
в
под
-
ложке
вырезается
круглое
отверстие
и
вводится
оптическое
волок
-
но
.
Такую
конструкцию
диода
называют
диодом
Барраса
.
Рис
8.18.
Структура
СИД
с
поверхностным
излучателем
(
а
)
и
торцевым
излучателем
(
б
):
1
–
эпоксидная
смола
;
2 –
омический
контакт
;
3
–
излучение
;
4 –
оптическое
волокно
;
5
–
подложка
на
n
-GaAs;
6 –
активный
слой
;
7
–
теплоотвод
;
8 –
нижний
омический
контакт
(
диаметром
50
мкм
),
9
–
нижний
омический
контакт
(
ширина
65
мкм
);
10
–
подложка
В
СИД
с
торцевыми
излучателями
(
рис
. 8
.18,
б
)
вывод
из
-
лучения
,
выходящего
из
активного
слоя
,
осуществляется
с
торца
,
как
в
полупроводниковых
лазерах
.
Для
уменьшения
самопогло
-
щения
применяется
следующий
способ
:
по
соседству
с
активным
слоем
формируется
световодный
слой
с
малыми
внутренними
потерями
,
активный
слой
делается
тонким
,
порядка
0,03–0,1
мкм
.
В
результате
по
сравнению
с
диодами
с
поверхностным
излуча
-
телем
яркость
оказывается
в
5–10
раз
большей
.
Чип
,
содержащий
p–n-
переход
,
может
использоваться
в
инди
-
каторном
СИД
,
представляющем
собой
конструкцию
(
рис
. 8.19),
размещенную
внутри
линзообразной
эпоксидной
смолы
(
компаун
-
да
).
Эффективный
вывод
излучения
осуществляется
с
помощью
от
-
ражательной
пластины
.
Такие
СИД
в
большинстве
случаев
приме
-
няются
как
миниатюрные
элементы
индикации
в
виде
точек
и
цифр
.
166
Простая
структура
кристалла
с
р
–n-
переходом
обеспечивает
низкую
стоимость
индикаторных
СИД
,
которая
является
одним
из
важней
-
ших
предъявляемых
к
ним
параметров
.
Рис
. 8.19.
Конструкция
индикаторного
СИД
Для
индикации
используется
видимый
свет
с
видимым
из
-
лучением
от
зеленого
до
красного
цвета
.
Для
повышения
КПД
источника
излучения
часто
применяется
введение
примеси
азо
-
та
,
цинка
,
кислорода
,
которые
становятся
центрами
люминес
-
ценции
(
излучения
).
Физический
принцип
функционирования
газоразрядных
индикаторов
(
ГРИ
)
основан
на
преобразовании
электрической
энергии
в
световую
при
возбуждении
«
электронным
ударом
»
атомов
газа
,
который
в
рассматриваемом
случае
является
актив
-
ной
средой
,
с
последующим
преобразованием
энергии
возбуж
-
дения
в
видимое
излучение
.
В
качестве
газа
-
наполнителя
,
как
правило
,
используется
неон
с
небольшим
количеством
аргона
или
ксенона
.
Оптимальные
параметры
газового
наполнения
вы
-
бираются
с
учетом
обеспечения
необходимой
яркости
свечения
,
минимизации
напряжения
разряда
,
потребляемой
мощности
,
а
также
обеспечения
заданных
частотных
характеристик
и
уве
-
личения
долговечности
устройств
.
Поскольку
собственное
све
-
167
чение
газа
-
наполнителя
имеет
оранжевый
цвет
,
варьирование
цвета
свечения
достигается
за
счет
использования
различных
фотолюминофоров
.
Принципиальная
схема
ячейки
ГРИ
,
на
основе
которой
форми
-
руется
конструкция
ГРИ
-
панели
,
приведена
на
рис
. 8.20.
Несмотря
на
сложную
систему
управления
,
содержащую
высоковольтные
элемен
-
ты
,
и
невысокую
яркость
,
ГРИ
-
панели
площадью
до
3
м
2
применяют
-
ся
в
системах
коллективного
пользования
.
Рис
. 8.20.
Принципиальная
схема
ГРИ
-
ячейки
Электролюминесцентные
индикаторы
(
ЭЛИ
)
являются
еще
одной
разновидностью
индикаторных
систем
плоской
конструк
-
ции
.
Типичная
конструкция
тонкопленочного
ЭЛИ
представлена
на
рис
. 8.21.
Рис
. 8.21.
Конструкция
электролюминесцентного
индикатора
168
Технология
тонкопленочных
ЭЛИ
предусматривает
после
-
довательное
нанесение
на
стеклянную
подложку
методом
испа
-
рения
:
изолирующего
слоя
окиси
иттрия
,
люминофора
,
в
качестве
которого
наиболее
часто
используется
сульфид
цинка
с
примесью
марганца
,
верхнего
изолирующего
слоя
окиси
иттрия
,
а
также
алюминиевых
электродов
.
Генерация
света
происходит
в
ЭЛИ
в
области
толщиной
менее
2
мкм
,
перпендикулярной
электродам
,
расстояние
между
которыми
задается
с
помощью
фотолитогра
-
фических
методов
с
точностью
до
1
мкм
.
ЭЛИ
-
панели
характеризуются
высоким
контрастом
даже
в
условиях
интенсивной
внешней
засветки
.
Для
получения
пол
-
ноцветного
изображения
используется
широкая
гамма
материа
-
лов
для
люминофорных
сред
.
В
последнее
время
достаточно
большую
популярность
по
-
лучили
индикаторы
на
основе
микроэлектромеханических
сис
-
тем
(MEMS-
индикаторы
).
Индикаторные
системы
MEMS
пред
-
ставляют
собой
массивы
модуляторов
света
,
работающих
как
на
просвет
,
так
и
на
отражение
,
при
этом
их
конфигурация
может
быть
как
матричной
(
двумерной
),
так
и
одномерной
(
в
виде
ли
-
нейной
шкалы
).
В
основе
MEMS-
технологии
лежит
формирование
под
-
вижных
или
деформируемых
отражателей
,
создаваемых
в
крем
-
ниевой
подложке
,
при
этом
схема
управления
индикатором
мо
-
жет
быть
сформирована
на
этой
же
кремниевой
подложке
.
Некоторые
примеры
MEMS-
технологий
представлены
на
рис
. 8.22.
После
светофильтра
световой
поток
проходит
через
фокусирующую
оптику
и
попадает
на
поверхность
микрозер
-
кального
модулятора
,
после
чего
промодулированный
пучок
фокусируется
в
плоскости
выходного
объектива
и
направля
-
ется
на
экран
.
В
этой
схеме
микрозеркала
имеют
два
рабочих
состоя
-
ния
(
открытое
состояние
,
при
котором
луч
попадает
на
экран
,
а
также
закрытое
состояние
,
когда
он
попадает
в
оптический
поглотитель
).
169
Рис
. 8.22.
Схемы
различных
технологических
подходов
МЕМ
S-
технологий
Каждый
из
этих
технологических
подходов
имеет
свои
отличительные
признаки
,
обусловленные
нацеленностью
на
оп
-
ределенные
секторы
рынка
индикаторных
систем
:
в
некоторых
случаях
требуется
сложная
оптика
(DMD),
в
других
же
случаях
(iMOD, iMODS)
она
не
требуется
.
Полупроводниковые
знакосинтезирующие
индикаторы
(
ПЗСИ
)
являются
одним
из
наиболее
универсальных
классов
приборов
для
отображения
информации
разнообразного
харак
-
тера
,
которые
обладают
оптимальной
совокупностью
свойств
,
обеспечивающих
их
широкое
использование
в
устройствах
и
системах
индивидуального
,
группового
и
даже
коллектив
-
ного
пользования
.
Необходимость
увеличения
размера
знака
при
одновремен
-
ном
рациональном
использовании
полупроводниковых
структур
привела
к
разработке
гибридных
ПЗСИ
,
основанных
на
принципе
рассеяния
света
(
рис
. 8.23).
В
такой
конструкции
формирование
изображения
осущест
-
вляется
при
использовании
светоизлучающих
кристаллов
,
раз
-
мещенных
в
светорассеивающей
полости
светопровода
.
В
этом
случае
размеры
и
форма
светящейся
области
определяются
габа
-
ритами
и
конфигурацией
светопровода
.
Можно
выделить
три
ва
-
рианта
конструкции
светопровода
:
170
Рис
. 8.23.
Различные
варианты
конструкции
полупроводниковых
знакосинтезирующих
индикаторов
на
принципе
рассеяния
света
:
1
–
кристалл
-
излучатель
;
2
–
держа
-
тель
;
3
–
светопроводящая
полость
;
4
–
отражающие
стенки
;
5
–
части
-
цы
рассеивателя
;
6
–
корпус
;
7
–
прозрачная
крышка
-
корпус
–
пластмассовый
светопро
-
вод
с
верхним
рассеивающим
слоем
(
рис
. 8.23,
а
);
–
полый
светопровод
с
рас
-
сеивающей
пленкой
(
рис
. 8.23,
б
);
–
светопровод
с
отражаю
-
щими
зеркальными
стенками
(
рис
. 8.23,
в
).
Жидкокристаллические
ин
-
дикаторы
(
ЖК
-
индикаторы
)
широко
применяются
для
бук
-
венно
-
цифровой
индикации
в
часах
,
настольных
микро
-
калькуляторах
,
в
плоских
те
-
левизионных
экранах
больших
размеров
.
Они
обладают
рядом
достоинств
:
возможностью
ис
-
полнения
в
виде
плоской
кон
-
струкции
,
низким
управляющим
напряжением
,
простотой
испол
-
нения
управляющей
схемы
,
малой
потребляемой
мощностью
и
т
.
д
.
Однако
они
недостаточ
-
но
эффективны
с
точки
зрения
контрастности
изображения
.
Рассмотрим
электрооп
-
тические
эффекты
в
ЖК
-
инди
-
каторах
,
которые
подразделя
-
ются
на
токовые
эффекты
(
ди
-
намическое
рассеяние
,
эффект
электрического
управления
двулучепреломлением
, «
твист
-
эф
-
фект
»)
и
полевые
эффекты
(
фазовый
переход
,
эффект
«
гость
–
хозяин
»).
171
Динамическое
рассеяние
света
.
Если
через
слой
нематиче
-
ского
ЖК
с
отрицательной
диэлектрической
анизотропией
про
-
пустить
постоянный
или
переменный
ток
низкой
частоты
,
то
про
-
зрачный
слой
ЖК
мутнеет
:
происходит
рассеяние
света
.
Поскольку
ЖК
-
ячейка
довольно
«
толстая
» (
больше
6
мкм
),
разрушение
ранее
упорядоченной
структуры
и
перевод
слоя
жидкости
в
состояние
турбулентности
,
в
котором
осуществляется
рассеяние
света
,
требу
-
ет
приложения
сильного
электрического
поля
.
При
подмешивании
холестерического
ЖК
нематический
ЖК
будет
испытывать
влия
-
ние
со
стороны
«
закрученной
»
структуры
его
молекул
.
Возникает
динамическое
рассеяние
света
,
которое
сохраняется
даже
после
снятия
электрического
поля
.
Это
состояние
устраняется
приложе
-
нием
высокочастотного
электрического
поля
,
в
котором
исчезает
динамическое
рассеяние
.
Эффект
электрического
управления
двулучепреломлением
.
На
ориентацию
молекул
ЖК
оказывает
влияние
состояние
по
-
верхностей
пластин
ЖК
-
ячейки
.
Если
пластины
обработать
по
-
верхностно
-
активным
веществом
,
то
,
как
показано
на
рис
. 8.24,
можно
получить
гомеотропную
упаковку
молекул
,
перпендику
-
лярную
пластинам
,
и
гомогенную
упаковку
молекул
,
параллель
-
ную
пластинам
.
Вне
ЖК
-
ячейки
скрещенно
размещают
поляриза
-
тор
и
анализатор
.
Для
индикации
используется
свойство
двойно
-
го
лучепреломления
.
Свет
,
ставший
линейно
-
поляризованным
после
прохождения
поляризатора
,
становится
эллиптически
по
-
ляризованным
после
прохождения
ЖК
-
ячейки
,
обладающей
свойством
двойного
лучепреломления
.
Тем
самым
интенсивно
-
стью
света
,
прошедшего
через
ЖК
-
ячейку
,
можно
управлять
с
помощью
приложенного
электрического
поля
.
Так
как
интен
-
сивность
проходящего
света
зависит
от
длины
волны
,
то
,
изменяя
напряжение
,
можно
менять
цветовой
тон
.
«
Твист
-
эффект
»
реализуется
при
помощи
однонаправлен
-
ного
натирания
поверхностей
пластин
во
взаимно
перпендику
-
лярных
направлениях
и
введения
нематического
жидкого
кри
-
сталла
с
положительной
диэлектрической
анизотропией
.
Поскольку
172
молекулы
жидкого
кристалла
между
двумя
пластинами
оказыва
-
ются
скрученными
на
90°,
то
происходит
поворот
плоскости
по
-
ляризации
линейно
-
поляризованного
света
,
прошедшего
через
ЖК
-
ячейку
.
Приложенное
к
электродам
низкое
рабочее
напряже
-
ние
(
менее
1
В
)
позволяет
управлять
прохождением
света
.
Рис
. 8.24.
Упаковка
молекул
в
ЖК
:
а
–
гомогенная
;
б
–
гомеотропная
Фазовый
переход
связан
с
изменением
состояния
немати
-
ческого
жидкого
кристалла
при
изменении
электрического
поля
с
гомеотропной
упаковкой
молекул
,
при
котором
ЖК
-
ячейка
прозрачна
,
в
состояние
,
при
котором
ЖК
-
ячейка
становится
не
-
прозрачной
,
рассеивая
свет
.
Оптический
эффект
«
гость
–
хозяин
».
Краситель
,
обла
-
дающий
свойством
менять
спектр
проходящего
света
в
зави
-
симости
от
ориентации
молекул
,
называется
плеохроическим
красителем
.
Если
к
жидкому
кристаллу
подмешать
краситель
,
обладающий
свойством
менять
спектр
проходящего
света
в
зависимости
от
ориентации
молекул
,
тогда
с
помощью
элек
-
трического
поля
оказывается
возможным
менять
как
ориента
-
цию
молекул
ЖК
,
так
и
ориентацию
молекул
красителя
,
т
.
е
.
можно
изменять
цвет
ЖК
-
ячейки
.
В
такой
ЖК
-
ячейке
ЖК
на
-
зывают
«
хозяином
»,
а
краситель
– «
гостем
»,
а
само
явление
называют
оптическим
эффектом
«
гость
–
хозяин
».
На
рис
. 8.25
показано
превращение
ЖК
р
-
типа
с
гомогенной
упаковкой
мо
-
лекул
в
кристалл
с
гомеотропной
упаковкой
под
действием
электрического
поля
.
173
Рис
. 8.25.
Оптический
эффект
«
гость
–
хозяин
»:
а
–
без
электрического
поля
;
б
–
в
электрическом
поле
Несмотря
на
то
,
что
технология
жидкокристаллических
эк
-
ранов
достигла
зрелого
состояния
,
в
настоящее
время
из
-
за
не
-
удовлетворительной
цветопередачи
и
других
недостатков
идут
ин
-
тенсивные
поиски
альтернативных
технологий
.
В
качестве
одной
из
возможных
альтернатив
в
последнее
время
рассматриваются
индикаторные
системы
на
основе
органических
электролюминес
-
центных
структур
(OLED).
История
разработки
OLED,
по
-
видимому
,
начинается
с
1965
году
,
когда
в
национальной
химической
лаборатории
(
От
-
тава
)
было
обнаружено
голубое
свечение
антрацена
.
Следующий
этап
развития
OLED
начинается
с
исследований
физика
Р
.
Г
.
Фрэнда
и
химика
А
.
Н
.
Холмса
(
Кембридж
)
в
области
моле
-
кулярной
электроники
с
использованием
полимера
полипара
-
фениленвинелена
(PPV).
Типичная
конструкция
OLED
на
основе
PPV
представлена
на
рис
. 8.26.
В
то
время
как
в
современных
ЖКИ
-
экранах
яркость
прохо
-
дящего
через
фильтры
излучения
подсветки
составляет
величину
174
порядка
100
Кд
/
м
2
,
в
первых
приборах
нового
поколения
этот
па
-
раметр
был
в
50–60
раз
выше
(
на
уровне
5000–6000
Кд
/
м
2
).
Рис
. 8.26.
Конструкция
OLED
на
основе
PPV
Интересным
фактом
,
общим
как
для
твердотельной
,
так
и
органической
оптоэлектроники
,
является
поистине
стремитель
-
ная
динамика
улучшения
ключевых
светотехнических
параметров
приборов
начиная
с
1990
года
,
при
этом
по
уровню
светоотдачи
параметры
OLED
превосходят
достижения
СИД
предыдущих
поколений
(
рис
. 8.27).
Сверхяркие
СИД
,
как
видно
на
рис
. 8.27,
по
светоотдаче
на
порядок
превосходят
лампы
накаливания
и
значительно
превосходят
галогенные
лампы
.
Успешное
решение
физико
-
технологических
проблем
по
-
зволило
в
последнее
время
разработать
и
освоить
в
серийном
производстве
такой
важный
класс
приборов
,
как
оптроны
,
соче
-
тающие
в
себе
функции
как
генерации
,
так
и
регистрации
излу
-
чения
.
Оптрон
–
это
оптоэлектронный
прибор
,
состоящий
из
оптического
излучателя
и
фотоприемника
(
ФП
).
Физическую
основу
работы
оптрона
составляют
процессы
преобразования
электрических
сигналов
в
оптические
(
в
излучателе
),
оптиче
-
ских
сигналов
–
в
электрические
(
в
ФП
).
ФП
представляют
собой
приборы
,
в
которых
оптическая
(
световая
)
энергия
преобразуется
в
электрическую
энергию
.
Су
-
ществуют
следующие
разновидности
фотоприемников
:
фото
-
175
диоды
,
солнечные
батареи
,
лавинные
фотодиоды
,
фототранзи
-
сторы
,
фоторезисторы
.
Принцип
действия
этих
фотоприемни
-
ков
заключается
в
использовании
эффектов
:
фотогальваническо
-
го
,
фоторезистивного
(
внутреннего
фотоэффекта
),
внутреннего
усиления
.
Рис
. 8.27.
Динамика
улучшения
светотехнических
параметров
твердотельных
и
органических
СИД
Оптроны
используются
в
датчиках
,
преобразующих
электромагнитное
излучение
из
одного
диапазона
в
другой
,
например
инфракрасное
излучение
в
видимое
и
т
.
п
.
Наиболее
распространенная
конструкция
этого
прибора
представлена
на
рис
. 8.28.
С
появлением
технологии
сверхъярких
СИД
,
способных
обеспечить
передачу
широкой
гаммы
цветов
при
одновремен
-
ной
высокой
эффективности
процесса
излучательной
рекомби
-
нации
,
наблюдается
подлинный
бум
в
области
нового
поколения
разнообразных
систем
визуального
отображения
информации
коллективного
и
группового
пользования
.
Одной
из
иллюстра
-
ций
перспективности
такого
подхода
является
разработка
ми
-
ниатюрного
дисплея
,
имеющего
размеры
30
×
33
×
89
мм
и
дающе
-
го
пользователю
впечатление
восприятия
изображения
на
30
см
176
мониторе
с
использованием
СИД
-
технологии
(
рис
. 8.29).
При
-
бор
имеет
массу
70
г
,
потребляет
менее
5
Вт
и
может
работать
от
батарейки
.
Его
можно
прикрепить
к
легкому
держателю
на
-
ушника
или
оправе
очков
.
Рис
. 8.28.
Конструкция
оптрона
в
керамическом
корпусе
Рис
. 8.29.
Миниатюрный
дисплей
Предельные
возможности
полупроводниковых
излучате
-
лей
демонстрируют
лазеры
с
вертикальным
резонатором
(
ЛВР
),
которые
отличаются
от
обычных
полосковых
лазеров
располо
-
жением
зеркал
резонатора
Фабри
-
Перо
параллельно
плоскости
полупроводниковой
пластины
.
ЛВР
характеризуются
низкими
значениями
порогового
тока
,
высокой
частотой
токовой
моду
-
ляции
(
десятки
гигагерц
)
и
сверхминиатюрностью
.
177
Рис
. 8.30.
Излучение
диода
с
InAs
с
квантовой
точкой
в
активном
слое
при
токовой
апертуре
А
<
1
мкм
(
яркая
точка
в
центре
)
Важный
шаг
на
пути
реализации
однофотонных
излучате
-
лей
сделан
при
использовании
в
качестве
активного
слоя
InAs
квантовых
точек
малой
плотности
.
При
малой
апертуре
(
от
лат
.
apertura –
отверстие
)
при
токовом
возбуждении
наблюдалось
излучение
одиночной
квантовой
точки
(
рис
. 8.30)
Присутствие
в
спектре
излучения
лишь
одной
линии
,
соответствующей
рекомбинации
экситона
одиночной
InAs
квантовой
точки
,
подтвердило
однофотонный
характер
излучения
.
Ожидается
,
что
именно
на
базе
ЛВР
будут
созданы
полупроводниковые
од
-
нофотонные
СИД
для
использования
в
будущих
системах
кван
-
товых
вычислений
и
квантовой
криптографии
.
Do'stlaringiz bilan baham: |