4.2. Спектр излучения светодиодов
Спектр излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материала, типом легирующих примесей, уровнем легирования и механизмом излучательной рекомбинации. Как указывалось выше, основными материалами для изготовления эффективных светодиодов являются бинарные полупроводниковые соединения А III В V и их твердые растворы. На рис. 4.4 в относительных единицах представлены спектры излучения при комнатной температуре некоторых типичных светодиодов, выпускаемых промышленностью.
Наибольшей эффективностью обладают светодиоды на основе арсенида галлия GaAs с шириной запрещенной зоны ∆E = 1,45эВ. Следовательно, максимум спектральной характеристики излучения собственно GaAs наблюдается на длине волны λmax =1,24/1,4 = 0,9 мкм, что соответствует инфракрасной области. При легировании GaAs различными примесями (теллур, селен, литий и др.), имеющими различные глубины залегания в запрещенной зоне, светодиоды могут излучать в диапазоне λmax = 0,9…0,96 мкм. Светодиоды на GaAs имеют наиболее высокую квантовую эффективность (ηвнеш =10…30 % в зависимости от конструкции). Важно, что спектр излучения GaAs -светодиодов очень хорошо соответствует спектру фоточувствительности наиболее распространенных Si-фотодиодов.
Светодиоды на более длинноволновую область изготавливаются на основе прямозонных твердых растворов Gaх1п1-хАs и Gaх1п1-хАs1-уРу. Для них преобладающей является квазимежзонная излучательная рекомбинация.
Важно, что максимум спектра излучения таких светодиодов задается составом твердого раствора. Изменяя х и у, можно изготовить светодиод на заданную область спектра, например, совпадающую с минимумом потерь в оптическом волокне или с максимумом спектра поглощения какого-либо вещества, концентрацию которого предстоит контролировать. Светодиоды на область спектра λ >5 мкм могут быть изготовлены на основе халькогенидов свинца: РbхSп1-xТе и ртути: CdхHg1-xТе.
Фосфид галлия (GaP) имеет ширину запрещенной зоны ∆E = 2,25 эВ, что определяет длину волны излучения λmax=0,56 мкм. Это соответствует зеленому цвету свечения. При легировании примесями (N, O2, Zn) такие светодиоды могут излучать красный, желтый, зеленый свет. Таким образом, GaP светодиоды предназначены для работы в видимой части спектра. Для GaP – ηвнеш = 7…0,7 %.
Светоизлучающие диоды на коротковолновую область видимого спектра, работающие в голубом, синем и фиолетовом диапазонах, могут быть созданы на основе нитрида галлия GaN и гетеропереходов с использованием твердых растворов GaхIn1-x N и Ga1-x Alx N. Светодиоды на основе GaN дают излучение λmax =0,44 мкм, но с очень низкой эффективностью ηвнеш 0,5 %.
Для этой же цели применяют карбид кремния SiC. Хотя диоды на основе SiC имеют малый ηвнеш 0,01 %, но обладают высокой временной и температурной стабильностью. На их основе создают эталонные источники излучения.
Рис.4.4. Спектры излучения светодиодов.
Для излучающих диодов как инфракрасного, так и видимого излучения широко применяют тройные соединения, изготовленные на основе твердого раствора галлий-алюминий-мышьяк GaAlAs. Применяют также твердые растворы на основе галлий-мышьяк-фосфор GaAsP и индий-галлий-фосфор InGaP. По обобщенному показателю (Ризл , быстродействие) GaAlAs наиболее полно удовлетворяет требованиям оптоэлектроники. В этом материале часть атомов Ga в кристалле GaAs замещается атомами Al. По мере увеличения доли замещенных атомов ширина запрещенной зоны меняется от ∆E =1,45 эВ (GaAs) до ∆E=2,16 эВ (чистый AlAs). Таким образом, такие светодиоды могут излучать на длине волны max=0,6…0,9 мкм, т.е. генерировать излучение как в видимой, так и инфракрасной области спектра. Внешний квантовый выход для этого материала составляет ηвнеш =1,2…12 %.
Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения практически линейно зависит от тока через диод в широком диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости. При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение температуры по сравнению с комнатной на 20 o C уменьшает их яркость примерно на 10%, а зеленых - на 6%. С ростом температуры сокращается срок службы светодиодов. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока.