Вход

Светоизлучающие диоды

Реферат по физике
Дата добавления: 15 июля 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 1.6 Мб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Оглавление Цель работы 3 Введение 3 Физические основы работы светоизлучающих диодов 4 Инжекция неосновных носителей тока 4 Вывод света из полупроводника 7 Основные полупроводниковые материалы , используемые в производстве светоизлучающих диодов 10 Арсенид галлия 10 Фосфид галлия 11 Светоизлучающиие диоды 12 Области применения и требования к приборам 12 Светоизлучающий кристалл 13 Устройство светоизлучающих диодов 15 Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения 17 Элек тролюминесцентные лампы 20 Индикаторы состояния 20 Индикаторы на светодиодах 23 Список и спользованной литературы 26 Цель работы Полупроводниковые светоизлучающие диоды — новый класс тверд отельных приборов , в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую . В основе действия— инжекционная электролюминесценция , эффективная в соединениях типа А III В V . Огромный интерес , проявляемый к светоизлучающим диодам специалистами в области радиоэлектроники , отображения информации , оптоэлектроники , обусловлен их замечательными характеристиками : высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую , высоким быстродействием , малым потреблением энергии , надежностью , бол ь шим сроком службы , высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям . Цель реферата узнать о современных достижениях в области создания излучающих структур на основе соединений типа А III В V и приборов на их основе ; ознакомиться с устройством светоизлучающих диодов , знаковых индикаторов , излучающих диодов инфракрасного диапазона ; рассмотреть основные области применения полупроводниковых светоизлучающих приборов ; Введение С вет играет исключительно важную роль в жизн и и производственной деятельности человека . Поэтому постоянно актуальна проблема создания высокоэффективных и надежных источников света. Полупроводниковая электроника до недавнего време-ни могла решать задачи преобразования электрические сигналов в электри ческие (диоды , транзисторы , тиристоры и т . п .) и оптических сигналов в электрические (фотодиоды , фототранзисторы и т . п .). В последние го ды в результате синтеза и исследования новых полупроодниковых соединений типа A III B V была решена задача преобразования электрических сигналов в оптиеские и созданы новые источники света — полупроводни ковые светоизлучающие диоды , действующие на основе излучательной рекомбинации инжектированных р— n- переходом носителей. Современные полупроводниковые светоизлучающие диоды ха рактеризуются высокими техническими ха рактеристиками : высокой яркостью (тысячи кандел на квадратный метр ) и высокой эффективностью преобраования электрической энергии в световую (до единиц люмен на ватт ); высоким внешним квантовым выходом излучения (до 4 5 % в инфракрасном диапазоне ); сов местимостью по входным параметрам с транзисторными микросхемами , а по спектру излучения диодов ин фракрасного диапазона — с фотоприемниками на осно ве кремния ; высоким быстродействием (до единиц наносекунд ); надежностью и б ольшим сроком службы (до сотен тысяч часов ). Вследствие этого они имеют обширные и многообразные области применения. Более 100 лет прошло с момента создания лампы на каливания , получившей чрезвычайно широкое распротранение . В настоящее время светоизлучающи е диоды вытесняют лампы накаливания в таких областях , как визуальная индикация и подсветка в устройствах ото бражения информации . Светоизлучающие диоды широко применяются также для внутрисхемной и панельной индикации состояния электронных схем , в системах записи информации на фотопленку , в фотоэлектрических устройствах , в измерительной технике для создания бес стрелочных шкал и т . п. Созданные на основе светоизлучающих р— n- переходов многоэлементные знаковые индикаторы широко используются в быстродействующих системах отображения информации , в вычислительной технике , автоматке , радиоэлектронике и позволяют вывести цифро-буквенную и графическую информацию. Диоды , излучающие в инфракрасной области спектра (ИК диоды ), положили начало развитию новой области электр оники — твердотельной оптоэлектроники . Они широко применяются в оптронах различного типа в позиционно-чувствительных фотоэлектрических устройствах , в устройствах автоматического управления , в устройствах ввода — вывода данных вычислительной техники , в сис т емах оптической связи и т . п . Создание светоизлучающих диодов со столь высокими техническими характеристиками и разнообразного назначения стало возможным в результате взаимосвязанного развития физических исследований , материаловедения соединений A III B V и п олупроводниковой тех нологии . Синтез полупроводниковых соединений , изу чение их физико-химических свойств , в том числе меха низмов излучательной рекомбинации в связи со структу рой зон и легированием , позволили осуществить выбор основных материалов для со з дания излучающих дио дов различного назначения . Разработка новых эпитаксиальных методов выращивания слоев бинарных соеди нений и многокомпонентных твердых растворов , а также гомо - и гетеропереходов на их основе , позволила опти мизировать устройство прибор о в и повысить их эффек тивность . Получение объемных монокристаллов соеди нений позволило разработать высокопроизводительную технологию производства приборов. На основе успешных физических и технологических исследований , а также конструкторских разработок в настоящее время в СССР и за рубежом создана мощная промышленность по производству полупроводниковых соединений типа А III В V эпитаксиальных структур и светоизлучающих приборов на их основе. Физические основы работы светоизлучающих диодов Инжекция неосновных носителей тока В основе работы полупроводниковых светоизлучаю-щих диодов лежит ряд физических явлений , важнейшие из них : инж екция неосновных носителей в активную область структуры электронно-дырочным гомо - или гете-ропереходом ; излучательная рекомбинация инжектированных носителей в активной области структуры . В настоящей главе будут рассмотрены важнейшие физические явления , на основе которых функционирует светоизлучающий диод и которые необходимо учитывать при конструировании приборов различного назначения. Явление инжекции неосновных носителей служит основным механизмом введения неравновесных носителей в активную область структ уры светоизлучающих диодов (недаром эти приборы часто называют инжекционными источниками света ). Вопросы физики протекания инжекционного тока в р— n- переходах рассмотрены в ра ботах Шокли и многих монографиях . В обобщенном виде инжекция носителей р— п- перех одом может быть представлена следующим образом. Когда в полупроводнике создается р— n- переход , то носители в его окрестностях распределяются таким образом , чтобы выров-нять уровень Ферми . В области контакта слоев p - и n - типов элек-троны с доноров переходят на ближайшие акцепторы и образуется дипольный слой , состоящий из ионизованных положительных доно-ров на n- сторон и ионизованных отрицательных акцепторов на р -стороне . Электрическое поле дипольного слоя созда-ет потенциальный барьер , препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. При подаче на р— n- переход электрического смещения в прямом направлении U потенциальный барьер понижается , вследствие чего в р-область войдет до бавочное количество электронов , а в n- область — дырок . Такое диффузионное введение неосновных но сителей называется инжекцией. Концентрация инжектированных электронов на границе р— n- перехода и р-области n'(х p ) определяется выражением п '(Хр )= np * exp (е U / kT ), (1) где n р — концентрация равновесных электронов в р-области ; k — константа Больцмана ; Т— температура : e — заряд электрона . Концентрация инжектированных носителей зависит только от равновесной концентрации неосновных носителей и приложенного напряжения. Поско льку инжектированные носители рекомбинируют с основ ными носителями соответствующей области , то их концентрация п ' р в зависимости от расстояния от р— n- перехода изменяется следующим образом (для электронов в р-области ): n' p =n(x p )exp[-(x-x p )/L n ], ( 2) где L n — Диффузионная длина электронов . Как следует из формулы (2). концентрация избыточных носителей экспоненциально спадает по мере удаления от р— n- перехода и на расстоянии L n (L р ) уменьшается в e раз , где e 2,72 (основ ание натурального лога рифма ). Диффузионный ток In , обусловленный рекомбинацией инжек тированных электронов , описывается выражением I n =eD n n p [exp(eU/kT)-1]/L n (3) где D n — коэффициент диффузии электронов . Диффузионный ток дырок I n описывается аналогичны м выражением . В случае , когда существенны оба компонента тока (электронный и дырочный ), об щий ток I описывается формулой I = (I n0 + I р 0 )*[exp(eU/kT) - 1], (4) где I n0 = eD n *n p /L n ; I p0 =eD p *p n /L p . (5) Особенность решения вопросов инжекции при кон струировании светоизлучающих диодов , в которых , как правило , одна из областей p — n- структуры оптически активна , т.е . обладает высоким внутренним квантовым выходом излучения , заключается в том , что для полу чения эффективной электролюминесценции вся инжек ци я неосновных носителей должна направляться в эту активную область , а инжекция в противоположную сто рону-подавляться. Если активна область р-типа , то необходимо , чтобы электронная составляющая диффузионного тока преоб ладала над дырочной , а интенсивность р екомбинации в области объемного заряда была низка . Коэффициент инжекции п , т.е . отношение электронной компоненты тока I n0 к полному прямому току I=I n0 +I p0 , определяется по формуле n =L p N d /[L p N d +(D p /D n )*L n A a ], (6) где N d и N a — концентрации доноров и акцепторов в л - и р -областях . Из выражения (6) следует , что для получения величины п , близкой к 1, необходимо , что бы N d >>N a , L p > L n , D n > D p . Решающую роль , безус ло вно , имеет обеспечение соотношения N d >> N a . Однако повышение концентрации носителей в инжектирующей области имеет свои пределы . Как правило , значения N d (или N a ) не должны превышать (1 — 5) • I 0 19 см- 3 , так как при более высоком уровне легирования возрастает концентрация дефектов в материале , что приводит к увеличению доли туннельного тока и ухудшению , тем самым , инжектирующих свойств р— n- перехода . Как будет видно из дальнейшего изложения , для повышения внутрен него квантового выхода излучательной рекомбинации в прямо-зонных полупроводниках необходимо повышать концентрацию носителей и в активной области , в связи с чем возникают дополнительные трудности с обеспечением одностороннего характера инжекции . Таким образом , в гомопереходах существуют трудности по обес п ечению высокого коэффициента инжекции носителей в активную область , обусловленные противоречивыми требованиями к легированию p- и n- областей структуры для достижения высокого коэффициента инжекции и максимального квантового выхода электролюминесценции в ак тивной области . В некоторых полупроводниках высокий коэффициент инжекции носителей в одну из областей р— n- перехода может быть обеспечен разницей в подвижности элект ронов и дырок . Так , в GaAs и других прямозонных соединениях высокий коэффициент инжекции эл ект ронов в р-область может быть осуществлен за счет более высокой подвижно сти электронов. Следует отметить , что в последнее время появи лись светоизлучающие диоды , в которых люминесцируют обе области p — n - перехода , а также область пространственного заря да , и от эффективности излучательной рекомбинации в этих областях зависят важные характеристики : цвет свечения , сила света и т . п . В этом случае инжекция носителей в обе области должна носить дозированный характер , что предъявляет высокие требования к точ н ости легирования областей p — n- структуры. Кардинальное решение проблемы односторонней инжекции дают гетеропереходы . Свойства гетеропереходов , возникающих на границе раздела двух полупро водников с различной шириной запрещенной зоны , описаны в ряде моногра фий . В зонной модели резкого n — р - и р— n- гетероперехода в отличие от зонной модели гомоперехода вследствие разности электронного сродства контактирующих веществ появляются разрывы в валентной зоне E и зоне проводимости E c . Наличие этих потенциальных барьеров при смещении перехода в пропускном направлении приводит к односторонней инжекции носителей тока из широкозонного материала в узкозонный практически независимо от у ровня легирования n - и p - областей . Для обеспечения односторонней инжекции носителей с помощью гетероперехода достаточна разница в ширине запрещенной зоны около 0,1 эВ , так как отношение I n / I p пропорционально ехр ( E g /kT). Другая особенность гетеропереходов заключается в возможности получения в узкозонном полупроводнике концентрации инжектированных носителей , превышающей концентрацию основных носителей в широкозонном полупроводнике . Этот эффект называется суперинжекцией . Явление с уперинжекции позволяет получить в активной области высокую концентрацию инжектированных носителей , недостижимую с помощью гомоперехода . В некоторых случаях о явлении суперинжекции говорят и тогда , когда концентрация инжектированных носителей в активной об л асти при наличии гетероэмиттера превышает концентрацию носителей в активной области при том же токе в случае гомоперехода. Для инжекции неосновных носителей в активную область структуры применяется также контакт металл — полупроводник (барьер Шоттки ) или м еталл — диэлектрик — полупроводник . Такой контакт создают в тех случаях , когда получение р— n- перехода невозможно , например при использовании полупроводниковых соединений типа A II B VI ( ZnS , ZnSe ), GaN и др . Эффективность инжекции носителей в полупроводник у барьеров ' Шоттки весьма низка (не превышает 1%), что приводит к малым значениям КПД излучающих диодов даже при высоких значениях внутреннего квантового выхода излучения . В связи с этим барьеры Шоттки не нашли широкого применения при изготовлении излучающи х диодов. Помимо инжекции существует еще один механизм возбуждения электролюминесценции — это ударная ионизация при обратном смещении р— n- перехода до напряжения электрического пробоя . Этот механизм введения неравновесных носителей менее эффективен , чем инже кционный , из-за участия в нем разогретых носителей , которые часть энергии возбуждения передают решетке полупроводника . Кроме того , ударная ионизация требует высоких напряжений на р— n- переходе , вызывающих сильный перегрев р— n- перехода , который в отсутствие достаточного теплоотвода от кристалла может приводить к тепловому пробою и выходу прибора из строя. Вывод света из полупроводника Из светоизлучающего кристалла может быть вывед ена только часть генерируемого р — n- переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь : 1) потери на внутреннее отражение излучения , падающего на границу раздела полупроводник — воздух под углом , большим критического ; 2) поверхностные потер и на френелевское отражение излучения , падающего на границу раздела под углом , меньшим критического ; 3) потери , связанные с поглощением излучения в приконтактных областях ; 4) потери на поглощение излучения в толще полупроводника.Наиболее значительны поте ри на полное внутреннее отражение излучения . В связи с большим различием показателей преломления полупроводника n п и воздуха n a доля выходящего излучения определяется значением критического угла пр между направлением светового луча и нормалью к поверхности : пр = arcsin n -1 , где n = n n /n в . Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла пр ра вны примерно 16 и 17,7°. Излучение , падающее на поверхность раздела полупроводник — воздух под углом , меньшим критического , выводится из кристалла , а под углом , большим критического , испытывает полное внутреннее отражение . Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик , то все отраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла . Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения , то свет , отраженный верхней , нижней , а также боковыми гранями кристалла , может по в торно (и не один раз ) падать на светоизлучающую поверхность частично выводиться из кристалла в соответствии с долей света , подходящей к световыводящей поверхности под углом , меньшим критического. Долю светового излучения , которая может быть вы ведена через верхнюю поверхность кристалла плоско конфигурации при первом падении световой волны , определяют по формуле F = sin 2 ( пр /2) Т ср , (7) где Т ср — средний коэффициент пропускания света по верхностью кристалла для л учей , падающих на границу раздела под углом , меньшим критического . Коэффи циент пропускания света , падающего нормально к поверхности , определяется по формуле Френеля Т =4* n (1+ n ) -2 (8) и равен 'для границы GaAs — воздух — 0,69; GaP — воздух — 0,715. Так как вблизи критического угла про пускание уменьшается , то можно ожидать средний коэффициент пропускания соответственно Т cр 0,67 и 0,695. Как следует из формулы (1.16), значение величины F для таких полупроводников , как GaAs и GaP, находится в пределах 1,3 — 1,65 %. Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической эффективности светоизлучающих диодов . В настоящее время существует несколько таких путей, кратко их рассмотрим. 1. Применение такой геометрии кристалла , чтобы большая часть излучаемого p — n- переходом света па дала на границу раздела под углом , меньшим критиче ского. В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл , усе ченная сфера (сфера Вейерштрасса ) и другие . В этих конструкци ях кристалла размер р— n- перехода существенно мень ше диаметра полусферы , что и позволяет получать ма лое отклонение падающего на поверхность луча от нор мали к поверхности . Если провести расчет , при некоторых допущенных (не учитывать поглощение света в толще материала , отраженное поверх ностью полупроводника излучение считать полностью поглощенным ), то он покажет , что использование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить вывод и злучения из кристалла в воздух до 34 % всего генерируемого излучения . Полусферическую конфигурацию кристалла эффективно применять в тех случаях , когда поглощение света в толще полупроводника мало . Такие условия возникают при использовании структур GaAs : S i , GaP : Zn , 0; GaP : N и др. 2. Помещение кристалла в среду с показателем преломления n в 50-150 мА ) и выше возникает стимулированное излучение и наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности , например с 5 м к Вт /мА , характерной для спонтанного излучения , до 200 мкВт /мА . Благодаря тому что фотоны , появившиеся в процессе рекомбинаций , многократно проходят через свето вод , отражаясь от зеркальных граней , прежде чем им удается выйти за пределы кристалла через полу п розрачное зеркало , наблюдается монохроматичность и когерентность излучения. Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение све тового луча имеет эллипсоидную форму . Угол расходимости светового пучка около 20 — 50°. Полупроводниковые лазеры широко применяют ся при со здании световодных линий связи большой протяженности и в измерительных устройствах различного назначения. Конструктивно диод выполнен в полимерной гермети зации на основе металлостеклянной ножки , содержащей отражающую свет коническую по верхность , что позволяет использовать боковое излуче ние и увеличить в 2 — 3 раза силу света . Наличие заглуб ленного посадочного места облегчает центровку кристал ла относительно оптической оси прибора . Высота поли мерной линзы определена исходя из необходимости обе с печения заданной диаграммы направленности излу чения (угол излучения 35° ). Отношение 'высоты поли мерной линзы S к радиусу сферы R выбрано равным 1,7. Зависимость силы света от тока для зеленого цвета свечения сверхлинейна , для красного— сублинейна . Зависим ость силы света от температуры для обо их р— n- переходов примерно одинакова . Температурный коэффициент составляет минус (5 — 8)*10 -3 К -1 . Диод позволяет управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов : оранжевого , желтого и др. В последнее время по явились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности , содер жащих оба р— n- перехода с одной стороны подложки . Структура диода выращивается жидкостной эпитаксией на подложке n- GаР, ориентированной в плоскости (111) В , двумя раздельными процессами . Устройство структуры следующее : слой n 1 (примыкающий к подлож ке ) толщиной 40 мкм , легированный Те до n 8*10 17 см -3 ; слой р 1 толщиной 50 мкм , легированный Zn до p 2*10 17 см- 3 и кислородом ; слой р 2 толщиной 40 мкм , легированный Zn до p 6*10 17 см -3 и азотом ; слой n 2 толщиной 25 мкм , легированный S до n l *10 17 см -3 азотом. Перв ый р— n- переход ( n 1 — p 1 ) излучает красный свет , второй (n 2 — р 2 — зеленый . В отличие от диода типа АЛС 331А , описанного выше , данный диод имеет общий анод . Верхний р— n- переход часто изготавлива ется планарным благодаря применению разделительной диффузии цинка. Для восстановления эффективности р— n- перехода с красным свечением , снизившейся в результате проведения второй эпитаксии по выращиванию р— n- перехода с зеленым свечением , применяется-длительная термо обработка структуры (400 — 600°С на воздухе в течение 20 — 70 ч ). . Полученные диоды в полимерной герметизации Ха рактеризуются высокими значениями внешнего кванто вого выхода излучения : для красного света — 4 % при то ке 3 мА (плотность тока 2 А /см 2 ), для зеленого света— 0,4 % при токе 20 мА (12,5 А /см 2 ). Такие знач ения при мерно соответствуют эффективности одноцветных свето излучающих диодов. Электролюминесцентные лампы Рассмотрим схемы некоторых наиболее широко используемых конструк ций ламп на основе светодиодов . В некоторых конструкциях использованы обычные транзисторные и диод ные кристаллодержатели . В этом случае светодиод может быть либо гермети чески закрыт крышкой с прозрачным стеклянным окном , либо на металлических выводах , одновременно образую щих основу кристаллодержателя , закре п лены и светодиод , и по следовательно с ним включенный кремниевый резистор . Пласт массовая линза , закрывающая корпус , формирует угловое рас пределение излучения и определяет угол видности прибора . Применяют и конструкции , подходящие для прозрачных полупров о дни ков типа GaP, в которых свет излучается через все пять граней светодиода . Встроенные рефлекторы и пластмассовые линзы обеспечивают желаемое угловое распределение излучения . “Лампа” обычно состоит из следующих частей : излучающего свет полупроводниковог о кристалла и пластмассовой линзы или покрытия , обычно окрашенного и служащего оптическим филь тром . Дополнительными (необязательными ) компонентами яв ляются рефлектор , диффузор , равномерно распределяющий свет по всему пластмассовому покрытию , и встроенный в корпус резистор , включенный последовательно с диодом. Основная задача покрытия состоит в создании среды с высоким показателем преломления и в со ответствующем увеличении коэффициента вывода света из по лупроводникового кристалла . В идеальном случае показ атель преломления покрытия должен быть близок к показателю пре ломления полупроводника ( n ~3,3). Практически наилучшее приближение к этому условию обеспечивает ряд легкоплавких арсенид-халькогснид-галогенндных стекол с показателем пре ломления 2,4 — 2,9. Одна ко эти стекла окрашены , так что их можно использовать только с красными или инфракрасными светодиодами . Наибольшее возможное значение показателя преломления для прозрачного стекла составляет 2,3 — 2,4. Использование стекол накладывает ряд ограничений на опт и ческие , тепловые и механические ха рактеристики приборов , поэтому в большинстве электролюми несцентных ламп использованы прозрачные пластмассы с по казателем преломления 1,5 — 1,6. Индикаторы состояния Ламповые индикаторы имеют шир окую область применения . В некоторых случаях они указывают на наличие рабочих усло вий , например на включение питания в различных приборах или на занятость линии в клавишном телефоне . В других случаях они служат предупреждающими сигналами , например в раз л ичных указателях на приборной панели современного автомо биля . Во всех перечисленных случаях необходимо , чтобы на блюдатель сразу замечал момент включения лампы и чтобы включенное и выключенное состояния четко различались . Вы полнение первого требования о б ычно обеспечивается соответ ствующим оформлением индикатора . а выполнение второго тре бования— конструкцией самой лампы . Обычно требуется , чтобы свет лампы был приятен для глаз , т . е . чтобы был обеспечен световой комфорт , Точные условия светового комфорта у казать трудно ; они определяются специальной системой тестов . Для достижения светового комфорта необходима оптимальная ком бинация зрительного восприятия , размеров , яркости и кон траста . Обычно раз меры полупроводникового кристалла выбирают как можно ма лы м и при заданном световом выходе . Типичные габариты кри сталла колеблются от 250 X 250 до 500 X 500 мкм . Видимый размер лампы определяется диаграммой распределения света рефлектором или рассеиванием света покрытием . Если необходимость в широком угле наблюде н ия отсутствует , то видимое изображение лампы можно увеличить с помощью пластмассовых линз . Линейное увеличение в зави симости от угла наблюдения дается формулой Увеличение =[1/(1- cos )] 1/2 . (5) Для многих применен ий достаточно угла наблюдения 60 — 90° , что позволяет использовать линейное увеличение в 1,8 — 2,7 раза и соответственно уменьшить потребляемую мощность в ~2 — 4 раза. Контраст изображения обычно достигается добавлением кра сителя в пластмассовое покрытие или с помощью внешнего све тофильтра . Идеальный светофильтр поглощает свет , падающий на него снаружи , так что выключенная лампа кажется темнее фона . Кроме отсутствия блеска (что будет рассмотрено при обсуждении цифровых индикаторов ), основное требование , предъя в ляемое к светофильтру , состоит в том , чтобы пропуска ние им окружающего света (за два прохождения через фильтр ) было не больше , чем отражение этого света от поверхности , окружающей индикатор. Вместе с тем основная функция светофильтра состоит в уси лении с ветового воздействия лампы в включенном состоянии . Анализ требований к идеальному светофильтру для красных и желто-зеленых светодиодов из GaP можно провести следующим образом . Рассмотрим конструкцию лампы , в которой боль шая часть излучаемого света отража е тся от элементов , окру жающих светодиод . Такой рефлектор , имеющий коэффициент отражения R ( ), отражает также и окружающий свет , попа дающий на лампу . Обозначим через I e ( , &fi , ) спектральною силу света лампы на длине волны К в направлении ( , & fi ); тогда световой поток vd , излучаемый в направлении наблюда теля , равен vd = I е ( ) V ( ) R ( ) d ( ), (6) если предположить , что свет диода (а также и окружающий свет ) отражается от корпуса прибора тол ько один раз . При на личии светофильтра со спектром пропускания Т (К выходящий из лампы световой поток равен ' vd = I е ( ) V ( ) R ( ) T ( ) d (7) Коэффициент пропускания светофильтра для излучения со спектральной силой I е ( ) определяется выражением T = ' vd / vd (8) а величина 1 — T представляет собой соответственно потери из лучения , связанные с фильтром . Для идеального фильтра эти потери сведены до минимума. Аналогичным образом можно определить величину Та, ко торая характеризует вызв анное светофильтром ослабление окру жающего излучения , отраженного от лампы (учитывая , что ок ружающий свет проходит через фильтр дважды ). Наибольший интерес представляет величина яркостного контраста С между включенным (излучение светодиода и окружающий с вет ) и выключенным (только окружающий свет ) состояниями : С =( vd + " va )/Ф " va , (9) где ' va — световой поток , идущий от лампы в выключенном со стоянии (ин декс а означает окружающий свет , а два штриха соответствуют двум прохождениям света через фильтр ). Показатель качества фильтра F можно определить как про изведение воспринимаемого светового потока на контраст F = C * ' vd . (10) Если предположить , что отражение от корпуса лампы по стоянно во всем видимом спектре и что ' vd >> " va , то уравнение (10) можно за писать в виде F = T 2 / T ' a * 2 vd / va Первый сомножитель в этом равенстве является мерой спек тральной избирательности фильтра и называется индексом цве товой корреляции . Дл я нейтрального светофильтра , для которого Т ( )= const ., эта величина равна 1. Таким образом , индекс цветовой корреляции определяется не абсолютным коэффициентом пропускания светофильтра , а спек тральной согласованностью фильтр а с излучением светодиода и окружающим светом. Величины Т и Т ' a можно легко рассчитать из данных по спектральному коэффициенту пропускания светофильтра . Если имеются образцы светофильтров , то проще всего измерить эти величины непосредственно с помощью фото приемника , спек тральная чувствительность которого совпадает с кривой чув ствительности глаза . В этом случае величина Т равна просто от ношению токов фотоприемника со светофильтром между диодом и приемником и без светофильтра . Аналогично величина Т ' a равна отношению тока фотоприеминка , когда окружающий cвет попадает на него , пройдя через двойной слой фильтра , к току при непосредственном падении окружающего света на фото приемник. Кроме описанной спектральной избирательности , большое значение имеет общий “не йтральный” коэффициент ослабления фильтра . Он должен быть подобран так , чтобы обеспечить же лаемый контраст при минимальном токе через светодиод . Например , при очень ярком освещении может понадобиться очень плотный фильтр (для уменьшения T' a даже несмотря на умень шение пропускания излучения светодиода и соответственно на необходимость повышения тока через диод . Оптимальный фильтр всегда представляет собой компромисс между яркостью инди катора и ослаблением окружающего света. Для излучения , приходящегося на край видимой части спектра (красные светодиоды из GaAs 1-x Р x или GaP: Zn , I ), наиболее эффективен красный светофильтр с резким краем по лосы пропускания . С другой стороны , для излучения в середине видимой части спектра более эффективен свето фильтр с узкой полосой пропускания. Кроме выполнения функций светофильтра , пластмассовое покрытие может также формировать различные диаграммы направленностн излучения . Ламбертовскую диаграмму направлен ности , которую имеет открытый свстодиод из прямозонного полунроводни ка , можно существенно изменить с помощью прозрачных пластмассовых линз ; при этом увеличение силы спета в направлении оси линзы за счет уменьшения угла наблюдения равно приблизительно квадрату коэффициента ли нейного увеличения . Включения частичек материал а с высоким показателем преломления , например Si 0 2 или TiO 2 приводят к равномерному распределению света по пластмассо-вому покрытию , что увеличивает угол наблюдения и видимые размеры светодиода , но уменьшает аксиальную силу света. Индикаторы на светодиодах Наиболее распространенные форматы буквенно-цифровых индикаторов на основе светодиодов показаны на рис. Семиэлемептные индикаторы или матрицы из 3 X 5 точек обычно применяются для вос произведения цифр от 0 до 9, хотя с их помощью можно воспроизводить некоторые прописные (A, В , С , D , E , F , G , H, I, J, L , О , S, U) и строчные ( b, с , d , h , i , l , n , о , r, и ) буквы . Для цифровых индикаторов наиболее широко ис пользуется формат с семью полоскам и , а для буквенно-цифро вых индикаторов удобнее всего матрицы из 5 X 7 точек . Размер индикатора зависит от расстояния до наблюдателя . Высота символов обычно выбирается из расчета угла наблюдения 10 — 24', причем угол наблюдения (в минутах ) определяется вы р ажением Угол наблюдения = 120 arctg ( h /2 d ), где h — высота символа , a d — расстояние от глаза до индика тора . Для электролюминесцентных индикаторов наилучшее зри тельное восприятие обычно достигается уменьшением размера символов до минимума и с оответственным увеличением яркости . Наиболее распространенными областями применения малогаба ритных индикаторов являются ручные приборы и карманные калькуляторы . Типичная высота символов (мнимое изображе ние индикатора ) составляет 2,5 — 3,5 мм , что соответс т вует углу наблюдения 9,5 — 13,4' для расстояния , равного длине вытянутой руки (~90 см ). Действительный размер интегральных полупро водниковых индикаторов составляет 1,125 — 2,5 мм , что соответ ствует линейному увеличению в 1,4 — 2,2 раза . Следующее наи более уп о требительное значение для высоты символов равно 8 — 12 мм ; такие индикаторы применяются на приборных пане лях или на пультах управления . При расстоянии 3 м это соот ветствует углу наблюдения 9,2 — 13,8'. Типичное отношение ши рины символа к его высоте для инд и каторов обоих типов со ставляет 0,6 — 0,8. Цифровые индикаторы различаются в основном формой по лосок (прямые или скругленные ), видом освещения полосок (рав номерное или точечное ) и углом наклона цифр (90 или ~80° ). При сравнении различных цифровых индикатор ов размером 7 — 15 мм был сделан вывод , что прямые линии распознаются значительно лучше , чем скругленные , что четкость то чечного изображения выше , чем изображения , образованного штрихами , и что прямые и наклонные цифры воспринимаются одинаково . Было замече н о также , что четкость контура является очень важным параметром , от которого зависит разборчивость цифр . Цифры , образованные относительно широкими штрихами , имели размытые контуры , и поэтому при их чтении возникало много ошибок . Рекомендуемое отношение шир и ны к высоте для белых штрихов на черном фоне составляет 1 : 10; вместе с тем при ярком освещении или для ярких индикаторов (напри мер , малогабаритных цифровых светодиодных матриц ) это от ношение можно уменьшить до 1 : 20. С целью снижения ошибок в распозна вании также интенсив но исследовались буквенно-цифровые индикаторы в виде матриц с 5 X 7 элементами . Оказалось , что некоторые ошибки встре чаются намного чаще других , и это нужно учитывать при раз работках новых индикаторов . Наиболее часто неправильно вос п ринимаются Q (читают как 0), 5 (читают как S ), V (чи тают как Y), Z (читают как 2) и I (читают как Г ). В другой работе была проведена оценка числа ошибок для 3-миллиметро вой матрицы из 5 X 7 красных светодиодов из GaAsP при угле наблюдения 14'. Подробные исследования с привлечением 371 наблюдателя в возрасте от 9 до 78 лет позволили сделать ценные выводы относительно конструирования индикаторов на основе светодиодов . Эти исследования показали , что число ошибок не постоянно для разных символов : одни дают н а много больше , а другие намного меньше ошибок , чем в среднем. Выяснилось , что при использовании начертаний , отличных от использованных в упомянутой работе , наибольшее количе ство ошибок падает на Q (читают как О ), А (читают как Н ) и S (читают как 5). Эти ош ибки необратимые , т . е . О не читают как Q и т . д . Было показано , что суммарное число ошибок для всех символов монотонно возрастало при увеличении освещен ности фона . Это означает , что распознавание любых символов затрудняется при снижении яркостного контр а ста . Число оши бок при максимальной освещенности (8000 лк ) составляло ~20% для наблюдателей в возрасте до 35 лет , а затем резко начинало расти , достигая 60% для наблюдателей в возрасте 50 лет . Частично это вызвано увеличением расстояния наилуч шего зрения с возрастом от 35 до 55 лет примерно в 5 раз (с ~0,2 до ~1,0 м ): для близоруких число ошибок было меньше среднего . Эта возрастающая трудность фокусировки гла зом излучения наиболее заметна для красной части спектра , в которой проводился эксперимент . В кра с ной части спектра возрастает роль хроматической аберрации и дифракции— двух явлений , определяющих размытие изображения на сетчатке глаза . Отсюда можно сделать вывод , что для индикаторов лучше подходит желтый или зеленый цвет , и можно ожидать , что высококач е ственные малогабаритные индикаторы со временем будут изготавливаться именно таких цветов (вместо более дешевых красных индикаторов , используемых в настоящее время ). Технология изготовления маленьких (~3 мм ) и больших (~9 мм ) полосковых индикаторов различн а , что диктуется эко номическими соображениями . Для малогабаритных индикаторов более пригодны монолитные конструкции , поскольку при уменьшении размеров резко возрастает стоимость монтажа отдельных элементов . В больших же семиполосковых индикаторах огранич и вающим фактором является стоимость материала ; поэтому в таких индикаторах свет семи маленьких светодиодов распределяется по необходимой поверхности с по мощью дешевых пластмассовых рефлекторов . Например , в 9-миллиметровом индикаторе площадь , занимаемая по л упроводником , составляет ~5% площади всей освещаемой поверхности . Рефлекторы можно сконструировать так , чтобы полоски освещались равномерно или чтобы в отдельных ча стях полосок яркость была выше (при этом цифра будет ка заться состоящей из светящихся точ е к ). Изображение в малень ких или больших матрицах с 5 X 7 элементами аналогичным образом формируется с помощью 35 отдельных светодиодов . Необходимый контраст изображения в большинстве индика торов достигается с помощью цветных светофильтров . С точки зрени я оптических характеристик конструкция светофильтров определяется исходя из соображений , изложенных в разд. 7.1, где было рассмотрено сражение света от элементов конструк ции светодиода с последующим прохождением через свето фильтр , В условиях сильного осве щения также важно умень шать отражение внешнего света от передней поверхности свето фильтра , т.е . снижать его блеск . Зеркальное отражение можно уменьшить , делая поверхность светофильтра матовой . При нор мальном падении коэффициент зеркального отражения от ма товой поверхности R s равен R s = R 0 ехр [(4* * ) 2 / 2 ], (12) где r 0 — коэффициент отражения от гладкой поверхности , а — среднеквадратичное отклонение матовой поверхности от среднего уровня гладкой поверхности. Список использованной литературы 1. А . Берг , П . Дин . Светодиоды . Ленинград , 1979. 2. Коган Л.М . Дохман С.А . Технико-экономические вопро сы применения светодиодов в качестве индикации и подсветки в системе отображения информации . – Светотехника , 1977. 3. Коган Л.М . Полупроводниковые светоизлучающие диоды , М .1983. 4. Воробьев В.Л ., Гришин В.Н . Двухпереходные GaP-светодиоды с управляемым цвет ом свечения . – Электронная техника . 1977 г. 5. Федотов Я.А . Основы физики полупроводниковых приборов.М .: Советское радио 1969. 6. Амосов В.И . Изергин А.П . Диодные источники красного излучения на GaP , полученном методом Чахральского . 1972.
© Рефератбанк, 2002 - 2017