7.4. Полупроводниковые индикаторы

Длительное время полупроводниковые приборы развива­лись совершенно самостоятельно, что нашло отражение и в терминологии. До сих пор в ходу термины «оптоэлектронный прибор», «светодиод», «светоизлучающий диод (СИД)» и т. д. По ГОСТ 15133–77 регламентируется употребление следующих терминов.

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор – прибор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение, или чувствительный к этому излучению в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, или использующий подобное излуче­ние для внутреннего взаимодействия его элементов.

Полупроводниковый излучатель – оптоэлектронный полупро­водниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энер­гию электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и уль­трафиолетовой областях спектра.

Светоизлучающий диод (СИД) – полупроводниковый прибор отображения информации, представляющий собой диод.

Полупроводниковый знаковый индикатор – полупроводнико­вый прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представле­ния информации в виде знаков и организованный в один или несколь­ко разрядов. При этом под излучающим элементом понимается часть прибора, состоящая из излучающей поверхности и контактов для подключения к схеме.

Полупроводниковая шкала – полупроводниковый прибор ото­бражения информации, состоящий из полупроводниковых излучаю­щих элементов, предназначенный для представления аналоговой информации.

Полупроводниковый экран – прибор, состоящий из светоизлучающих диодов, расположенных вдоль одной линии, и содержащий несколько строк диодов.

Как видно, эти термины находятся в определенном про­тиворечии с понятиями, принятыми в технике отображения информации (ГОСТ 25066–91). В то же время представля­ется оправданным использование укрепившегося термина светоизлучающий диод по отношению к отдельному, точечному прибору.         

Светодиоды имеют ряд достоинств, делающих их перспек­тивными для СОИ. К ним относятся: работа при низком на­пряжении, обеспечивающем возможность непосредственного взаимодействия с полупроводниковыми логическими схема­ми; малые габаритные размеры; большой срок службы; вы­сокая пиковая яркость и возможность мультиплексной ад­ресации. Излучение может находиться в видимой или ин­фракрасной области спектра в зависимости от свойств ис­пользуемого полупроводникового материала.

Принцип действия светоизлучающих диодов

Излучение в светодиоде возникает в результате рекомби­нации электронов и дырок при их инжекции под действием прямого напряжения на р-n–переходе. При этом длина волны излучения в микрометрах определяется

,

где ΔW – ширина запре­щенной зоны, эВ.

Поскольку спектр видимого излучения лежит в диапазоне длин волн 0,4–0,7 мкм, то ширина запрещенной зоны ис­ходного полупроводника, используемого для излучателя видимого света, должна находиться в пределах 1,75< ΔW  <3,15 эВ.

Эффективность преобразования электрической энергии в излучение определяется материалом полупроводника, коэффициентом полезного действия инжекции неосновных но­сителей, оптическими потерями в полупроводнике и други­ми факторами.

В настоящее время имеется несколько материалов, из которых можно формировать управляемые р-n–переходы с надлежащей шириной запрещенной зоны. Часть материалов является полупроводниками с прямой запрещенной зоной, часть – с непрямой зоной. Для получе­ния светоизлучающих р-n–переходов ведутся исследования также некоторых других соединений группы AIIIBV, таких, как арсенид алюминия и нитрид галлия.

При изучении системы из фосфида арсенида галлия вида GaAsi-xPx было замечено, что с ростом х от 0 до 1 ширина запрещенной зоны изменяется от 1,44 эВ для чистого GaAs, обеспечивающего излучение в ближней инфракрасной зоне, до 2,8 эВ для GaP. Наличие приме­сей, естественно, изменяет энергетические уровни, а тем самым и длину волны излучаемого света. Выбор присадок сое­динений AIIIBV производится обычно из доноров V группы – теллура, селена и серы – и из акцепторов III группы – цинка, кадмия и магния.

Замена фосфора азотом приводит к получению примесных центров, которые захватывают электро­ны, что обеспечивает прямую ре­комбинацию в полупроводниковых материалах с непрямой запрещенной зоной. В результате значительно увеличивается эффективность си­стемы GaAsi-xPx : N для значений х, превышающих 0,5, т. е. для соединений, излучающих свет в оранжевой, желтой и зеленой областях. Это дает возможность изготовле­ния СИД с излучением желтого и зеленого цветов, эффективность ко­торых имеет такой же порядок, как у красных СИД.

Высокоэффективные СИД с красным свечением были созданы на основе гетероструктур AlAs-GaA.

Особый класс СИД кроме приборов с прямыми и непрямыми переходами представляют так называемые преобразователи частоты вверх на основе арсенид-галлиевых ИК диодов и антистоксового люминофора. Такие приборы характеризуются сравнительно высокой эффективностью в видимом диапазоне, обусловленной ИК возбуждением от высокоэффективных СИД на основе GaAs : Si. В зависимости от применяемого люминофора можно получить очень ши­рокую гамму цветов.

В приборах с преобразующим люминофором используется про­цесс многоквантового возбуждения редкоземельных ионов в кри­сталлах. Для получения зеленого света необходимо двухфотонное ИК возбуждение люминофора, а для генерации излучения голубого цвета – трехфотонное. Для эффективного возбуждения люминофора требуется значительная плотность ИК мощности. Увеличение выхода ИК излучения достигается применением оптоотражающих покрытий и согласующих сред для увеличения внешнего квантово­го выхода или использованием кристалла сложной формы для уменьшения потерь от полного внутреннего отражения излучения на гра­нице кристалл–среда. Однако более предпочтительным является использование плоского кристалла, позволяющего увеличить плотность мощности излучения при уменьшении размера кристал­ла. Излучение может выводиться в торец и через верхнюю поверх­ность кристалла, причем для сбора бокового ИК излучения, имею­щего наибольшую плотность, кристалл помещается в фокусе парабо­лического отражателя. Согласующей средой кристалл–воздух явля­ется в этом случае композиция люминофора и связующего, нанесен­ная на кристалл.

При использовании приборов планарной конструкции на основе GaAs : Si общий КПД достигает 6 %, а светоотдача – 0,35 лм/Вт. В качестве зеленого люминофора применяется, например, трехфтористый лантан, легированный эрбием (активатор) и иттербием (сенсибилизатор). Введение иттер­бия способствует увеличению сечения захвата

ИК фотонов люминофором, а поглощенная энергия в результате двухступенчатого процесса преобразуется в видимое излучение зеле­ного цвета (от атомов эрбия). Стимулированное видимое из­лучение от трехфтористого лантана имеет максимум при λ = 0,54 мкм.

Возможности изменения цвета свечения у СИД достаточно широки и достигаются следующими способами:

1.



Смешением двух или нескольких цветов. Для этого по­лупроводниковый прибор должен содержать хотя бы две р-n – структуры, генерирующие излучение разных цветов, и быть прозрачным в заданном диапазоне длин волн.

2. Изменением тока однопереходной двухполосной р-n–структуры. При увеличении тока цвет свечения изменяется благодаря насыщению одного цвета и увеличению интенсивности другого цвета.

3. Включением встречно-параллельно двух диодов с раз­ным цветом свечения. При изменении полярности питающе­го напряжения меняется излучаемый цвет.

4. Использованием антистоксовского  люминофора  для преобразования ИК излучения. В этом случае, например, красный цвет может создаваться излучением GaAs0,6 P0,4, а зеленый – излучаться люминофором NaYF4 : YB, Eu, преобразующим ИК излучение GaAs : Si. 

Конструкции

Для изготовления цифровых и цифробуквенных полупроводниковых индикаторов используются технологические методы, широко применяемые в производстве интегральных микросхем. В зависимости от размеров ППИ изготовляются по полупроводниковой и по гибридной технологии. В первом случае – это интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то полупроводниковые индикаторы имеют малые размеры. Во втором случае излучающая часть индикатора представляет собой сборку дискретных СИД на миниатюрной печатной плате. Гибридный вариант является основным для средних и больших ППИ.

Светодиод – миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует вакуумная оболочка, время готовно­сти равно нулю, он стоек к механическим ударам и вибра­циям. Простейший СИД имеет плоскую конструкцию (рис. 7.8, а). Такой диод не сложен в изготовлении и соответственно имеет малую стоимость. Однако здесь используется узкий пучок излучения, который ограничен электродами, и имеют место большие потери излучения из-за полного внутреннего отражения на границе полупроводник – воздух. Потери излучения плоского СИД из-за полного внутреннего отражения можно несколько умень

шить, если на поверхность полупроводника нанести полусферическое покрытие из материала, имеющего коэффициент преломления, промежуточный между воздухом и кристаллом (рис. 7.8, б).

Лучшие светотехнические характеристики имеет полусферическая конструкция СИД (рис. 7.8, в). В ней n-области полупроводника придается форма полусферы. В результате угол выхода излучения существенно расширяется, и резко снижаются потери, связанные с полным внутренним отражением, поскольку световые лучи подходят к границе раздела полупроводник–воздух практически перпендикулярно. Эффективность полусферической конструкции примерно в десять раз превышает эффективность плоской конструкции, одна­ко она намного сложнее в изготовлении и дороже.

Типичные размеры светодиода малы, поэтому для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла используют линзы, рефлекторы, фоконы (рис. 7.8, г, д). Применение таких устройств позволяет также повысить контраст изображения. Размеры знаков – от 3 до 50 мм, что дает возмож­ность визуально контролировать изображение на расстоя­нии до 10 м. На ППИ могут быть реализованы все известные типы (цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, аналого-цифровые, матричные) знакосинтезирующие индикаторы.

В настоящее время выпускаемые промышленностью светодиоды в основном изготавливаются на основе твердых раст­воров фосфида и арсенида галлия GaAsP и фосфида галлия GaP.

С использованием GaAsP разработаны гибридный и полупроводниковый индикаторы, в которых на одной подложке сформированы матричные (5×7) знакоместа, а для индика­ции буквенно-цифровой и графической информации – ППИ с числом элементов 30 x 114 и размерами 12,7 x 50,8 мм. Последнее достигалось посредством формирования на кри­сталле размерами 12,7х 12,7 мм матрицы из 30×36 элемен­тов и последующей сборки четырех подобных матриц в го­ризонтальный ряд. Размеры светоизлучающих элементов и шаг между ними 125×125 и 350 мкм соответственно.

Полупроводниковый индикатор, в котором используется GaAsP, имеет ряд преимуществ, однако по мере увеличения числа светоизлучающих элементов и размеров поля изображения возрастают потери энергии. Имеется сообщение о том, что в индикаторе, описанном выше, максимальный размер одного кристалла, вероятно, 25,4×25,4 мм. К тому же полагают, что полупроводниковыми могут быть сделаны индикаторы малых размеров, а индикаторы больших размеров целесообразно делать в гибридном исполнении.

Примерами индикаторов, созданных по гибридной технологии с использованием GaAsP, могут служить индикато­ры с полем изображения 50,8 x 50,8 мм, в которых на кера­мической подложке расположены 64 х 64 светодиодных элементов из GaAsP с красным свечением. Сила света этого ин­дикатора при токе 10 мА на элемент составляет 0,3 мкд/элем.

В светоизлучающих диодах красного цвета GaAs0,6 P0,4 в качестве подложки использован арсенид галлия GaAs. На основе СИД этого типа изготавливаются ППИ для ото­бражения букв и цифр, размеры которых не превышают 4 мм. Эти элементы имеют КПД люминесценции, равный 0,2 % при плотности тока (10 А/см2), и широко используются в портативных калькуляторах, наручных часах. Светодиоды оранжевого цвета с λ = 0,635 мкм имеют максимальный КПД люминесценции 0,4 (при 10 А/см2), у СИД желтого цвета с λ = 0,59 мкм среднее значение КПД 0,15 % (при 20 А/см2).

Индикаторы на основе GaAsP, как правило, имеют красное свечение, но можно изготовить их с оранжевым и желтым свечением.

С использованием фосфида галлия созданы светодиоды красного цвета, имеющие высокую яркость, большой КПД и сравнительно малый рабочий ток. На основе таких СИД разработаны и широко применяются различные полупроводниковые индикаторы.

Например, разработан индикатор больших размеров 19,5×38,1 мм с числом элементов 16×32, состоящий из модулей, и схемой управления. Описан компактный матричный индикатор с высокой линейной плотностью элементов, составляющей 2,5 СИД на миллиметр. Этот индикатор имеет размеры 3,2×38,4 мм и содержит 8×96 светоизлучающих диодов, сгруппированных в 12 модулей. Площадь каждого модуля 3,2×3,2 мм и 8×8 СИД.

Матричные индикаторы на основе СИД красного цвета свечения имеют относительно малый разброс яркости от дио­да к диоду. С использованием GaP разработаны также дио­ды с зеленым цветом свечения. На основе таких диодов соз­даны полупроводниковые индикаторы с числом элементов 96×64, собранные на пластине из окиси алюминия. На стадии испытаний находится индикатор с эффективным полем изображения 130×90 мм и числом диодов 160×112. Изготовлены матричные ППИ зеленого цвета, пригодные для приема телевизионных изображений с высоким раз­решением.

На эффективность излучения диодов зеленого цвета свечения на основе GaP большое влияние оказывают дефекты кристалла. Поэтому разброс по яркости сгруппированных на одной пластине модулей велик по сравнению с СИД красного цвета свечения.