Излучающий диод

ИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД, полупроводниковый диод, содержащий полупроводниковый переход (электронно-дырочный или контакт металл — полупроводник), в к-ром при прохождении электрич. тока генерируется оптич. излучение в ИК, видимой или УФ области спектра; разновидность (либо осн. элемент) излучающего полупроводникового прибора. В соответствии с частотным диапазоном генерируемого излучения различают инфракрасные И. д. и с в е-тоизлучающие диоды, или светодиоды. Действие И. д. основано на явлении инжекционной электролюминесценции: излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации неосновных неравновесных носителей заряда (эл-нов проводимости и дырок), инжектированных под действием приложенного напряжения в область полупроводника, прилегающую к ПП переходу (т. н. активная область И. д.). Такое излучение некогерентно, однако, в отличие от тепловых источников света, имеет более узкий спектр (ширина спектра обычно не превышает 0,05 мкм), вследствие чего в видимой области воспринимается как одноцветное. Цвет излучения определяется как ПП материалом, так и легирующими примесями. Для изготовления И. д. чаще всего применяют GaAs, GaP, SiC и твёрдые р-ры (GaAs_1-xP_x, Al_xGa_1-xAs и др.). В качестве легирующих примесей используются: в GaP — цинк и кислород (красные И. д.) либо азот (зелёные И. д.), в GaAs — кремний либо цинк и теллур (инфракрасные И. д.). Явление инжекционной электролюминесценции впервые наблюдалось в диоде на основе SiC сов. инж. О. В. Лосевым в 1923.
Осн. параметр И. д.— кпд преобразования электрич. энергии в энергию излучения (η), определяемый как η = η_вн⋅k₁⋅k₂⋅k₃, где η_вн — внутр. квантовый выход (отношение числа квантов, генерируемых в активной области И. д., к числу носителей заряда, инжектированных в эту область); k₁—эффективность инжекции (отношение числа инжектир. носителей заряда к полному числу эл-нов и дырок, образующих ток через И. д.); k₂ — эффективность вывода излучения или внеш. квантовый выход (отношение числа квантов, выходящих из прибора, к числу квантов, возникающих внутри И.д.); k₃ =hν/eU(hν — энергия кванта, е — заряд эл-на, U — напряжение на И.д.). Макс, значения η_вн (ок. 100%) получены в И. д. на основе твёрдых р-ров арсенида галлия: Al_xGa_1-xAs и In_xGa_1-xP_1-xAs_y в диапазоне длин волн от 0,68 до 1,6 мкм. В И. д. на основе GaAs_1-xP_x, легированных азотом, в области спектра от 0,69 до 0,565 мкм достигнутые значения η_вн составляют 10—40%.
По способу инжекции неравновесных носителей заряда И.д. разделяются на диоды с прямосмещённым р—n-пере-ходом, обратносмещённым р—n-переходом в режиме лавинного пробоя и диоды с Шоттки барьером. И. д. с прямо-смещённым р—n-переходом обладают наибольшими значениями k₁ и k₃ ( k₁>50%; k₃≈100%). Сочетание высоких k₁, кз и η_вн обусловило преимуществ, развитие И. д. с прямо-смещённым р—n-переходом на основе соединений типа А В . При этом получили распространение две конструкции И. д.— плоская (ПП кристалл имеет форму пластинки) и полусферическая (ПП кристалл выполнен в виде полусферы). Осн. методом формирования р—n-переходов при создании таких И. д. является метод эпитаксиального наращивания, причём величина η существенно зависит от св-в подложки используемой эпитаксиальной структуры. Так, если ширина запрещённой зоны материала подложки меньше энергии излучаемых квантов, то И. д. плоской конструкции имеет малую эффективность вывода излучения наружу (как правило, k₂ не превышает неск. % с учётом эффектов переизлучения в активной области), в противном случае — k₂ ≅10—50%. Важным достижением в разработке И. д. плоской конструкции на прозрачных подложках является создание приборов на гетероструктурах Al_xGa_1-xAs и In_xGa_1-xP_1-xAs_y, имеющих η~45% при T=300 К в диапазоне длин волн 0,8—1,3 мкм. Использование полусферич. конструкции позволяет увеличить эффективность вывода излучения до 50% (г\ до 45%) даже при наличии поглощающей подложки, однако в силу трудоёмкости процессов изготовления такие И. д. находят огранич. применение.
Типичные значения г| совр. И. д. составляют: в ИК области спектра (от 1,3 до 0,8 мкм) 1—5%; в видимой области (от 0,7 до 0,565 мкм) 0,8—10,2%. Др. важный параметр И. д. — инерционность (характеризуется постоянными времени нарастания и спада мощности излучения при импульсном возбуждении И. д., к-рые принято измерять между яркостями излучения 0,1 и 0,9 от максимальной). В связи с малыми временами жизни неосновных носителей, характерных для материалов И. д., инерционность И. д. достаточно мала (постоянные времени обычно не превышают долей мкс), поэтому по быстродействию И. д. значительно превосходят другие источники света (лампы накаливания, катодолюминесцентные, газоразрядные и т. п.).

В наст, время (нач. 90-х гг.) И. д. широко применяются, напр., в технике связи, вычислит., измерит., бытовой технике (подробнее см. Излучающие полупроводниковые приборы). Дальнейшее развитие И. д. направлено на увеличение кпд преобразования в ИК диапазоне 1,3—3 мкм (для волоконно-оптич. линий передачи информации), в видимом диапазоне 0,55—0,7 мкм (для индикаторных устр-в), а также на освоение видимого диапазона 0,55—0,45 мкм (голубые и синие И. д.). С целью создания таких И. д. ведутся разработки высокоэффективных И. д. с прямосмещённым р—п-переходом на основе SiC и И. д. с Шоттки барьером на основе GaN, ZnS и ZnSe.

Источник
Электроника. Энциклопедический словарь
Москва, «Советская энциклопедия», 1991 г.