Спектральные характеристики светоизлучающих диодов

Спектральные характеристики светоизлучающих диодов

Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств.

Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (

10 15 — 10 13 Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомню, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Δυ≈5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ=1 м υ 0 =300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при этом же отношении Δυ/υ 0 это число возрастает в миллионы раз.

Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ=1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны.

Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж», исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.

Светодиод с пластиковой оболочкой

Светодиоды диаметром 5мм

Светодиод или светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (т.е. таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A III B V (например, GaAs или InP) и A II B VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета ( GaN) до среднего инфракрасного диапазона ( PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее времябольшие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Светодиоды используются в сигнальных и осветительных приборах, например, в «твердотельных лампах».

Спектрограмма красного, зеленого, голубого и белого светодиодов

1.2 Особенности светодиодов

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

— Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом.

— Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

— Длительный срок службы. Но и он не бесконечен – при длительной работе и/или плохои охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

— Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это – достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

— Малый угол излучения – также может быть как достоинством, так и недостатком.

— Безопасность – не требуются высокие напряжения.

— Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

2. Спектральные характеристики светодиодов

Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой СИД. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Длина волны λ max излучения светодиода определяется по формуле:

где h – постоянная Планка, с – скорость света, E – ширина запрещенной зоны; коэффициент 1,23 верен, если λ max измеряется в мкм, а Е – в Эв.

В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах СИД. Примеры спектральных характеристик СИД на основе GaP и SiC с различными примесями приведены на рис. 6. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон СИД характеризуют шириной спектра излучения ∆λ 0,5 , из меряемой на высоте 0,5 максимума характеристики.

Рис. 6. Спектральные характеристики СИД.

Излучение большинства СИД близко к квазимонохроматическому (∆λ/λ max max =565 нм — зеленый цвет. и λ max =585 нм — желтый цвет), значение η обычно существенно ниже, чем у СИД красного цвета. Однако относительная чувствительность глаза при такой длине волны значительно больше.

В результате удается получить набор излучателей от красного до зеленого цвета свечения, которые имеют одно и то же значение произведения V(λ) η (с точностью до порядка величины).

Рис. 7. Нормированные спектральные характеристики глаза V(X), СИД и кремниевого фотодиода (пунктир).

На рис. 7 представлены для сравнения спектральные характеристики различных СИД, а также спектральные характеристики чувствительности человеческого глаза и фотодиода в относительных единицах. Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования СИД с фотодиодом. С одной стороны, такое согласование по сравнению с согласованием с человеческим глазом облегчается, так как спектральный диапазон фотодиода значительно шире. С другой стороны, спектральное согласование не всегда является решающим фактором эффективной работы пары СИД — фотоприемник.

3. Применение СИД

Светоизлучающие диоды имеют широкое применение. Они используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи и во многих других технических устройствах. При этом СИД выступает как отдельный самостоятельный элемент устройства — как дискретный оптоэлектронный прибор — или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора или оптоэлектронной микросхемы — оптрона. В этом случае излучающая структура должна обеспечивать одновременно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и высокое быстро­действие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согласуется с фотоприемником оптрона и характеристики оптрона оптимальны. Для обычных СИД, не входящих в состав оптрона, требования к направленности излучения обычно существенно ниже. Кроме того, СИД визуального применения могут иметь низкое быстродействие, т. е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.

Рассмотрим типичные структуры и параметры излучателей, используемых в современных оптронах.

Структура на основе р-n перехода в арсениде галлия (так называемая мезаструктура — см. гл. 5), легированном кремнием, образует активную область с такими особенностями:

практически полное отсутствие безызлучательной рекомбинации, т.е. высокое совершенство структуры;

высокая эффективность инжекции;

различие спектральных характеристик излучения (λ max ≈940 нм) и поглощения (λ гр ≈900 нм), что резко снижает самопоглощение и позволяет получить высокие значения коэффициента вывода излучения.

В результате у лучших образцов излучателей этого типа η≈ 7-9%, а КПД 6-7%. У подобных им приборов с полусферической активной областью η≈ 20-30% и КПД 10- 5%. Однако большее время жизни носителей и протяженность активной области приводят к тому, что при протекании прямого тока накапливается избыточный заряд, рассасывание и рекомбинация которого проходят за 10 -7 -10 -6 с.

Одинарная гетероструктура а на основе тройного соединения GaAlAs обеспечивает одностороннюю инжекцию дырок в базу и эффективную люминесценцию. Это следствие того, что область безызлучательной рекомбинации (дефекты на границе подложка — база) удалена от активной области. Вывод излучения проходит с минимальным поглощением. В итоге у лучших образцов η≈ З — 4% (при t пер ≈ 40-80 нс). Диапазон рабочих токов составляет 1-20 мА. Падение напряжения в прямом направлении около 1,2 В (при I пр =10 мА). Напряжение пробоя 6—8 В. Барьерная емкость при нулевом смещении 100 пф.

В двойной гетероструктуре на основе того же тройного соединения GaAlAs возможно увеличение концентрации легирующей акцепторной примеси N a при постоянной толщине базовой области. За счет этого растет граничная частота, но одновременно увеличивается туннельная компонента прямого тока, а внешний квантовый выход η уменьшается. Существует некоторое оптимальное значение N a , при котором достигается максимальное произведение ηf гр , представляющее собой обобщенный показатель эффективности излучателя в оптроне. Излучатели такого типа, как отмечалось, характеризуются значениями η≈ 2-2,5% и t пер ≈ 20-30 нс.

Применение оптических методов записи, хранения обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достижения высокой плотности записи информации в оптических запоминающих устройствах.

На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо, прежде всего, понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они являются фундаментом всей квантовой и оптической электроники.

Светодиоды. Принцип работы, описание, параметры

Светодиодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры Процесс самопроизвольной рекомбинаци инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p-n переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий; при этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света.

Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Е_g > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (E_g > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения светодиода. Например, на основе фосфида галлия, легированного определенным количеством цинка, кислорода или азота, получают светодиоды зеленого, желтого и красного цветов свечения. Тройные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета свечения.

Обычно излучение светодиодов является монохроматическим с оговоренной для каждого типа максимальной длиной волны, имеющий незначительный разброс внутри каждого типа. Светодиоды с управляемым цветом свечения изготавливаются на основе двух светоизлучающих переходов, один из которых имеет резко выраженный максимум спектральной характеристики в красной полосе, другой — в зеленой. При совместной работе цвет результирующего излучения зависит от соотношения токов через переходы. Основным технологическим методом изготовления светодиодов является метод эпитаксиального наращивания. Это жидкофазная эпитаксия или эпитаксия из газовой фазы. В некоторых случаях, в основном, при использовании карбида кремния, применяется метод диффузии примесей (акцепторных или донорных) из газовой фазы, проводящийся внутри кварцевых ампул.

Одним из основных параметров светодиодов является: яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (измеряется в канделах на квадратный метр).

Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения светодиода. Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации и определяется исходным полупроводниковым материалом и легирующими примесями.

Излучение светодиода также характеризуется диаграммой направленности (угол половинной яркости), которая определятся конструкцией светодиода, наличием линзы и оптическими свойствами защищающего кристалл материала (измеряется в градусах). Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным.

Основные параметры светодиодов зависят от окружающей температуры. С увеличением температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Промышленные светодиоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу.

Светодиоды, применяемые в наружной рекламе, должны соответствовать самым высоким требованиям к зависимости яркости от температуры окружающей среды и выдерживать диапазон температур от –40°С до +80°С, не изменяя яркости (силы света). Такие параметры светодиодов могут обеспечить только фирмы-лидеры в своей области, работающие на самом современном высокотехнологичном оборудовании и использующие самые современные технологии.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10-8с после подачи импульса прямого тока, что делает их незаменимыми в световой рекламе, несущей быстро сменяемую информацию.

По внешнему конструктивному признаку светодиоды подразделяются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения) и пластмассовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаунда, создающего рассеянное излучение. Именно эти светодиоды и применяются в наружной и интерьерной рекламе, обеспечивая одновременно и достаточную яркость, и максимально возможный угол просмотра.

Светодиоды

Это второй материал посвященный теоретическим основам выбора оптимального искусственного подводного освещения. Разговор пойдет о светодиодах. Для того, чтобы было проще в дальнейшем – нужно начать с базовых понятий: – светодиод – это электронный элемент, который при прохождении через него электрического тока начинает излучать электромагнитное излучение с длиной волны в видимой части его спектра или по простому – свет. Становится понятно значение аббревиатуры – СИД – светоизлучающий диод или при английском переводе – LED — ight-emitting diod.

В зависимости от химического состава этого электронного компонента он излучает свет с разной эффективностью и разной длины волны.На сегодняшний день, наиболее доступными и эффективными являются светодиоды изготовленные на основе чипов из нитрида галлия. К сожалению такой светодиод выдает излучение с длиной волны 450 – 480 нм, что соответствует синему цвету.

Решается эта проблема применением люминофора. В нашем случае он наносится прямо на светоизлучающий элемент, при этом, в результате переизлучения появляются другие части спектра. Комбинируя состав и толщину слоя люминофора производители добиваются требуемого спектрального состава света на выходе.

Получаем такой пирог: в самом низу — теплоотводящая подложка, дальше корпус светодиода, на нем полупроводниковый чип, потом слой люминофора и накрывается это все куполом из прозрачного материала, выполняющего роль первичной оптики.

Теперь давайте разберемся с основными характеристиками этого устройства.

В светотехнике основным приемником излучения является глаз человека, а он имеет как мы помним из первой части разную спектральную чувствительность. Это привело к появлению отдельной системы описания – системе световых величин.

Одной из основных величин этой системы – является сила света. Единицей силы света является кандела (с латинского – свеча). Грубо говоря 1 кандела соответствует световому ощущению возникающему при взгляде на 1 горящую свечу.

Следующий важный параметр – это световой поток. Световой поток определяет количество света, соотнесенного с кривой спектральной чувствительности глаза, проходящего через единицу поверхности за единицу времени – измеряется в Лм.

Так как даже одинаковые светодиоды из за погрешностей при производстве, и потерь при преобразовании света в слое люминофора преобразовывает электрический ток с разной эффективностью возникает первая возможность их разделения или «биновки» по эффективности – сколько люменов света выдает диод при потреблении 1- го вата энергии. Поскольку кривые эффективности светодиодов в зависимости от их нагрева и пропускаемого тока имеют не линейный вид, для обеспечения корректности сравнения выбирают некоторые фиксированные значения этих параметров.

Из за того, что одинаковое по мощности, но имеющее разную длину волны излучение по разному воспринимается глазом, световой поток можно оценивать в люменах только в тех случаях, когда спектральный состав света не играет существенной роли, и важна только воспринимаемая глазом яркость освещения. Такой вариант никого не устраивает и поэтому было введено два дополнительных параметра – это ССТ — коррелированная цветовая температура и CRI – индекс цветопередачи.

Наиболее простое описание цветовой температуры – это сравнение этого параметра со светом испускаемым разогретым металлом. Разная температура разогрева дает разный спектральный состав излучения – больше температура – белее свет. Только в нашем случае нагревали не метал, а объект под названием — абсолютно черное тело. Не будем о нем говорить – это никак не повлияет на понимание.

Шкалу нагрева разбили на интервалы и сняли спектральные характеристики для каждого из них. Теперь стало возможным при описании любого источника света сопоставить его спектральные характеристики с полученными при нагреве. И найдя наиболее похожий говорить – данный источник света имеет ССТ к примеру 5000К.

Но поскольку точного совпадения не будет, возникает необходимость стандартизировать эти отклонения. Примером этого является стандарт цветности C78.377A, разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI). Этот стандарт разделяет температурный диапазон на 8 частей и определяет допустимые диапазоны ее отклонения.

Диапазоны отклонения по температуре, по сути — определяют диапазоны отклонения по цветовому оттенку. И они могут быть заметными, поэтому этот каждый конкретный диапазон отклонений также делится на сектора.

На практике это выглядит следующим образом: берут так называемую диаграмму цветности (суть этой диаграммы в том, что любой существующий цвет можно описать при помощи двух координат x и y) и накладывают на эту диаграмму кривую свечения абсолютно черного тела в зависимости от температуры. Поскольку, согласно этого стандарта существует некоторый диапазон возможных отклонений по температуре, мы получаем не линию, а некоторую поверхность. Эту поверхность делят на небольшие сектора, «бины» цветности. После чего, группу «бинов», принадлежащих одному температурному диапазону объединяют в группу или «кит». «Кит» может объединять не весь температурный диапазон, а только его часть. Описанием «кита» или конкретного «бина» являются координаты x и y, наложенные на диаграмму цветности. Данный стандарт цветности не единственный, но смысл у них один – все делят диаграмму цветности на сектора имеющие координаты.

Теперь индекс цветопередачи CRI – он определяет, насколько свет от источника хорош для правильного восприятие цвета объекта. Для определения этого параметра, набор из 8 стандартных образцов с разным цветом освещают тестируемым источником и эталонным с той же цветовой температурой. Если разницы нет – CRI равен 100. Чем больше образцов изменили цвет – тем он меньше. Считается, что для хорошей цветопередачи необходимы значения CRI выше 80.

Все вышесказанное нужно нам только для одного – мы должны четко понимать что обозначают буквы и цифры в обозначении конкретного диода. Поэтому, от теории переходим к практике.

На сегодняшний день лидером в производстве высокоэффективных полноспектральных или «белых» светодиодов является американская компания CREE, и с очень большой вероятностью сталкиваться мы будем именно с ними. Поэтому имеет смысл применить наши знания при выборе светодиода именно этого производителя.

Итак, заходим на сайт компании, и пробуем разобраться к примеру с маркировкой диода XPG3. Переходим в карточку товара, смотрим его характеристики и если они нас заинтересовали, переходим к выбору конкретного варианта. Для этого открываем его даташит и смотрим. В большинстве случаев, нам будет достаточно информации отображенной в таблице, которая начинается в данном случае с третьей страницы. Как видим, все параметры этой таблицы нам хорошо знакомы. В таблице мы можем выбрать температуру свечения диода, его эффективность и коэффициент цветопередачи.

Если этого мало, то полное описание номенклатуры кодов заказа можно посмотреть на стр. 27 в разделе «Форматы кодов и кодов ордеров», а для определения наборов цветности или «китов» можно посмотреть таблицу ячеек цветности на стр. 26.

О том, насколько важен или нет коэффициент цветопередачи и набор цветности при подводном освещении, а также о подборе оптимальных характеристик светодиодов я рассажу в следующей части.

До встречи и всего Вам доброго.

Подписаться на наш канал о подводной охоте можно здесь. Будем рады видеть Вас в числе наших зрителей!

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

СИД представляет собой полупроводниковый прибор с р- n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.(СИД)

Когерентными источниками называют такие источники, которые излучают синфазные оптические волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника охваченное объемным резонатором (например, Фабри-Перо).

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод. (Рис.1.2)

Рисунок 1.2. Конструкция поверхностного светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой (Рис. 3).

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода.

В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии. При этом фотоны (кванты энергии),

Рисунок 1.3. Конструкция торцевого светодиода

(Ga- галлий, As – мышьяк, Al – алюминий)

случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции.

Данная мощность больше у торцевых СИД, их еще называют СЛД – супер люминесцентными диодами.

Основные характеристики светодиодов

1. Ватт-амперная характеристика светодиодов — это зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рис.4)

Рисунок 1.4 Ватт-амперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ватт-амперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться .

2. Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (Рис. 5).

Рисунок 1. 5. Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Δλ 1 (10 ÷ 30 нм), для поверхностного СИД Δλ 2 (30 ÷ 60 нм).

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций.

3. Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве.

Рисунок 1.6. Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Р max /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности (рис.6). Для поверхностного СИД величины φ x =φ y и могут составлять 110°. 180°. Для СЛД величины φ x и φ y не равны и примерно составляют: φ x = 60 °,

4. Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

Эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе «полупроводник – воздух» и «полупроводник – световод» из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).

5. Срок службы и надежность. Всем светодиодам присуще деградация параметров – постепенное уменьшение мощности при длительной эксплуатации. Срок службы зависит от материала и конструкции СИД, от температуры. При увеличении температуры на 10 0 – 20 0 срок службы снижается вдвое. Для использования в системах связи срок службы СИД должен составлять 10 5 , для наземных и для подводных линий связи — 10 6 .

Полупроводниковые СИД являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность (Рис.7).

Рисунок 1. 7. Схема включения СИД в коллекторную схему транзистора

На схеме СИД включается в коллекторную цепь транзистора. Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора и управляет коллектором и током, являющийся одновременно током инжекции СИД. С помощью резисторов R 1 и R 2 можно подобрать необходимое значение начального тока, пробегающего через СИД.

Реальные схемы модуляции, как правило, включают цепь стабилизации режима работы и цепь обратной связи, которая уменьшает нелинейность ватт-амперной характеристики СИД.

Итак, сравнительно простая конструкция, высокая надежность, слабая зависимость от температуры делают СИД особенно подходящими для ВОСП на короткие расстояния при относительно невысокой информационной пропускной способности.