Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника nп и воздуха nв доля выходящего излучения определяется значением критического угла Qпр между направлением светового луча и нормалью к поверхности:
Qпр= arcsin n-1,
где n=nn/nв.
Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла Qпр равны 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 повторно (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 плоской конфигурации при первом падении световой волны, определяют по формуле
F= sin2 (Qпр/2) Тср ,
где Тср — средний коэффициент пропускания света поверхностью кристалла для лучей, падающих на границу раздела под углом, меньшим критического. Коэффициент пропускания света, падающего нормально к поверхности, определяется по формуле Френеля
Т=(n - 1)2/(1 + n)2.
Так как вблизи критического угла пропускание уменьшается, то можно ожидать средний коэффициент пропускания соответственно Тcр»0,67 и 0,695 [1].
Значение величины F для таких полупроводников, как GaAs и GaP, находится в пределах 1,3—1,65% [1]. Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической эффективности светоизлучающих диодов. Существует несколько таких путей, кратко их рассмотрим [1]:
1. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого p—n-переходом света падала на границу раздела под углом, меньшим критического. В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера (сфера Вейерштрасса) и другие. В этих конструкциях кристалла размер р—n-перехода существенно меньше диаметра полусферы, что и позволяет получать малое отклонение падающего на поверхность луча от нормали к поверхности. Если провести расчет, при некоторых допущенных (не учитывать поглощение света в толще материала, отраженное поверхностью полупроводника излучение считать полностью поглощенным), то он покажет, что использование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить вывод излучения 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 : Si, GaP : Zn, 0; GaP : N и др.
2. Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв<n<nn для увеличения критического угла. Если в качестве среды использовать прозрачный эпоксидный компаунд с показателем преломления nк=1,5—1,6, то критический угол Qпр возрастает до 25—30°. В этом случае выход излучения из кристалла в окружающую среду (в данном случае в компаунд) возрастет в 2,5—3 раза. Если прибор предназначен для вывода излучения в воздух, то для сохранения коэффициента вывода излучения конфигурация полимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность раздела компаунд — воздух под углом, меньшим критического для этой границы. Еще более положительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления n=2—3.
3. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического (аналогично просветлению оптики). Таким путём удается увеличить выход излучения на 20—30 %.
4. Применение специальной конфигурации плоского кристалла для обеспечения "внутренней фокусировки" излучения и увеличения доли генерируемого света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.
5. Создание омических контактов, занимающих незначительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле.
6. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения.
Если угловое распределение фотонов, выходящих из активной области, имеет сферическую симметрию, то создание днффузно-рассеивающей поверхности улучшает условия вывода излучения для косых лучей. Сферическая симметрия генерируемого излучения внутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощением излучения в активной области. В результате создания диффузно-рассеивающей поверхности диодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличение внешнего квантового выхода излучения на 25—40 %.
7. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения.
Большие возможности получения направленных световых потоков создает эффект “оптического ограничения”, возникающий в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава. Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятствует такое распределение показателя преломления, когда он больше в волноводном слое по сравнению с окружающими слоями. Фотоны, генерируемые в активной области, распространяются вдоль волновода с многократным отражением от границ с ограничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления волновода и ограничивающих слоев около 0,15—0,2. Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционные потери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном плоскости р—n-перехода. Сужение диаграммы направленности излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системах оптической связи.
Примеры конструкции светодиодов с различными КСС
Вышеперечисленные пункты относились в основном к конструктивным особенностям непосредственно тела свечения. Рассмотрим теперь пути изменения КСС при помощи внешней (надкристальной) оптики.
Пример конструкции СИД с характерными размерами дан на рис. 1 Приложения. Активная область свечения имеет площадь порядка 1мм2. Полимерный купол СИД представляет собой линзу, назначение которой – обеспечение требуемой диаграммы направленности свечения и механическая защита кристалла-излучателя. Кроме того, в полимере могут быть диспергированы зёрна люминофора, изменяющего цвет свечения. Так, например, если к собственному голубому излучению полупроводникового кристалла добавить жёлто-зелёную линии спектра люминофора, то возможно получить СИД белого свечения. Концентрация люминофора или его состав может изменяться, удовлетворяя, таким образом, требованию на цвет излучения СИД.
Конструкция мощных светодиодных осветителей (рис. 1) создавалась на основе ножки с увеличенным теплоотводом за счет наваренной медной пластины. Полимерный корпус (показатель преломления n = 1,55) содержит полусферическую линзу диаметром 18 мм. Для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов используется отражатель, согласованный по размерам с полимерной линзой. Отношение высоты полимерной линзы над кристаллами S к радиусу полимерной линзы R в сочетании с действием отражателя определяют полуширину пространственного распределения силы света 2q0.5.
Светодиодные осветители (СО) могут содержать либо 1 кристалл (например, прибор типа У-345Бл), либо 3 кристалла, соединенные последовательно (тип У-342Бл), либо 4 кристалла, соединенные последовательно — параллельно (тип У-337Бл). Типичные КСС таких осветителей представлены на рис.2 Приложения. Из рисунка видно, что увеличение количества кристаллов приводит к уширению КСС и, естественно, к увеличению светового потока.
Широкие КСС применимы в элементах общего освещения, когда необходимо, чтобы возможно больший поток попадал на как можно большую площадь. Наоборот, узкие КСС применяются в источниках мононаправленного излучения: оптические дальномеры и указатели, источники информации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи). Как правило, осветительные приборы на СИД представляют собой «кассету» из нескольких диодов (рис.3), в то время как СИД для ВОЛС, генераторы опорного напряжения оптикоэлектронных систем, оптопары представляют собой единичные элементы.
Кроме формирования определенной КСС, необходимо минимизировать потери светового потока. Для этого в конструкции предусматривается линзовый или зеркально-линзовый оптический элемент (ОЭ), как указывалось выше, из полимерного материала, одновременно увеличивающий квантовый выход излучения и служащий механической защитой излучающего кристалла.
В системах, передающих энергию на большие расстояния (до нескольких км), уменьшение угла рассеяния имеет решающее значение (уменьшение размытия информационного импульса). Проектирование ОЭ, обеспечивающих малые углы, представляет некоторое затруднение. Это, в первую очередь, связано с тем, что источником излучения является поверхность кристалла диаметром около 1 мм. Поток излучения сосредоточен в полусфере и его распределение может иметь случайный характер. Иногда максимум энергии сосредоточен в боковых зонах.
Можно проанализировать различные варианты оптических схем, потенциально пригодных для использования совместно с СИД, и сформулировать следующие требования к ОЭ [4]:
1. ОЭ должен перераспределять излучение СИД, направленное в полусферу, в заданном угле.
2. Угол расходимости излучения должен быть минимальным.
3. Потери излучения в ОЭ (за счет поглощения и рассеяния) должны быть минимальными.
4. ОЭ должен позволять осуществлять теплообмен.
5. Конструкция ОЭ должна быть достаточно простой и технологичной.
Предложен ряд конструкций ОЭ [4], работающих совместно с излучающим кристаллом и позволяющих получать малые углы излучения. Во всех конструкциях излучающий кристалл помешается в фокусе ОЭ. При этом любой луч после ряда отражений и преломлений выходит из ОЭ параллельно оптической оси.
