Результаты расчетов оптимальных размеров диода

Проведем анализ оптимальности конструкции диода на при­мере двух различных моделей диода (рис. 6.4) в двух оптически различных средах [15]. Конфигурации диодов выбраны из сооб­ражений простоты изготовления и удобства математического расчета. Структура диода, толщина слоев, а также электриче­ские и оптические свойства типичны для слоев полупроводника, которые выращены жидкостной эпитаксией на подложках, по­лученных из раствора. Цилиндрическая форма удобна с мате­матической точки зрения. На рис. 6.4, а показан цилиндрический диод с точечным контактом в центре я-области и с полностью покрытой контактом p-областью. На рис. 6.4, б площадь кон­такта диода определяется величиной отверстия в слое Si02, который закрывает всю поверхность диода со стороны «-обла­сти. Как GaP, так и S1O2 полностью покрыты контактным ма­териалом, нанесенным методом напыления, который после впла - вления образует с GaP омический контакт. Такой контакт уменьшает тепловой импеданс прибора и вместе с тем образует вокруг поглощающего сплавного контакта область с высокой отражательной способностью. Внешней средой является воздух (показатель преломления п= 1) или полусфера из акрилового полиэфира (п = 1,55). Параметры материалов диодов приве­дены в табл. 6.3 [15].

Таблица 6.3

Параметры материала для светодиодов из GaP

Удельное сопротивление, Ом-см|”]слоя

слоя '0,10

sn-слоя, 0,05

j р-слоя, 0,2

| металлического контакта 5-Ю

—4

>слоя Si02 2• 10

Коэффициент поглощения GaP, см-1 5

Показатель преломления GaP 3,315

Коэффициент отражения вплавленного контакта 0

Коэффициент отражения металлизированного Si02 0,95

/■GaP 0,73

Теплопроводность, Вт • см-1 • °С—1 J металлического контак - 1,7

Ui02 " 0,01

Тепловой импеданс держателя ‘), °С • Вт-1 600

■) Привїденное значение 600 °С-Вт 1 можно существенно уменьшить, если увеличе­ние к. п. д. оправдает п вышеине стоимости прибора.

Эти данные использовались в программе для ЭВМ, по кото­рой были рассчитаны внешний и внутренний квантовый выход с учетом неоднородности распределения тока, разогрева и вы­вода света [15]. Рабочий ток диодов составлял 10 мА при пря­мом смещении 1,8—2,0 В. Результаты расчета приведены в табл. 6.4. Из таблицы видно, что коэффициент вывода света является очень важным параметром, определяющим внешний квантовый выход, поскольку от 40 до 80% света остается вну­три диода. Интересно гакже отметить, что значения плотности тока в диодах, оптимизированных по всем параметр&м, лежат в диапазоне 16—120 А/см2. Это намного выше, чем можно было бы ожидать только на основании измеренной зависимости кван­тового выхода от плотности тока (рис. 6.3). Зависимость отно­сительного квантового выхода от температуры приведена на рис. 6.5. Видно, что потери из-за нагрева составляют ~20% для всех конструкций светодиодов.

Таблица 6.4

Расчетные характеристики идеальных светодиодов из GaP

Параметр

Для диодной структуры иа рис. 6.4а

Для ДИОДНОр на рис

структуры 6.4, 6

Контакт к ft-области

Точечный

Точечный,

окруженный

металлизированной

Контакт к р-области

двуокисью кремния

Сплошное покрытие

Точечный

Внешняя среда

Воздух

Пластмасса

Воздух

Пластмасса

Оптимальный диаметр

0,200

0,206

0,212

0,236

диода, мм

Оптимальный диаметр

0,028

0,034

0,028

0,034

точечного контакта,

мм

Минимальная плотность

24

23

20

16

тока, А/см2

Максимальная плотность

76

80,5

120

88

> тока, А/см2

Отношение максималь­

4

3,5

6

5,5

ной плотности тока к

минимальной

Т|/ (-0

0,882

0,896

0,878

0,923

Ті/ (П

0,78

0,78

0,77

0,78

Т)о

0,221

0,396

0,379

0,603

Полный относительный

0,152

0,277

0,259

0,436

внешний квантовый

выход

Необходимость уменьшения площади непрозрачного контакта можно проиллюстрировать, используя уравнение (6.16) для расчета влияния контактного покрытия на т)0. На рис. 6.6 при-

Результаты расчетов оптимальных размеров диода

5 і____ і ' 1____ 1----- 1_

0 0,20 0,40 О, ВО 0,80 1,00

Долл поверхности торцоВ, покрь/тая пол­ностью поглощающими контактами

Рис. 6.6. Расчетная зависимость коэффициента вывода света для Цилиндриче­ского светодиода из GaP от доли покрытия его торцов полностью поглощаю­щими непрозрачными контактами.

веден результат такого расчета для цилиндрического диода в воздухе и в капсуле из акрилового полиэфира (п = 1,55). При условии что контакт занимает 10% площади основания, расчет показывает, что с увеличением показателя преломления окружающей среды от 1 до 1,55 оптический квантовый выход возрастает на ~72%. Экспериментально наблюдаемое увеличе­ние квантового выхода, согласно данным, полученным на не­скольких сотнях светодиодов в экспериментах по определению надежности [16], составляет 59—69% при среднем значении 63%.

В расчетах, используемых при описанном выше машинном проектировании, имеется ряд ограничений. Некоторые из моде­лей сильно упрощены, так что они оказываются справедливыми лишь в ограниченном диапазоне условий работы. Например, плоская модель, которая использовалась для расчета распреде­ления тока в п- и р-областях, становится неприменимой, если размер контакта меньше толщины слоя. Однако даже с этими оговорками приведенные расчеты указывают пути повышения внешнего квантового выхода и дают хорошую оценку относи­тельной важности различных факторов, влияющих на квантовый выход. Подтверждение выводов, содержащихся в табл. 6.4, было получено в следующем эксперименте. Была изготовлена струк­тура из GaP, аналогичная показанной на рис. 6.1, и из одной пластины были вырезаны диоды трех различных размеров. За­висимости внешнего квантового выхода этих трех диодов от тока в прямом направлении приведены на рис. 6.7. Значения

Результаты расчетов оптимальных размеров диода

If, uA

Рис. 6.7. Зависимость внешнего квантового выхода от тока в прямом направ­лении для трех диодов.

Кривые получены с помощью ЭВМ. Прн токе //г — ЮмА максимальный внешний кван­товый выход получается у днода 1, хотя на основании одних лишь измерений зависимо­сти от плотности тока можно ожидать максимального квантового выхода у днода 2, Размер диода, мм Средняя плотность тока, А/см2

1. 0,20X0,20 24

2. 0,38X0,38 7

3. 0,75 X 0,75 2

средних плотностей тока при токе 10 мА приведены в подписи к рис. 6.7. Хотя в диодах - средних размеров максимум дости­гается при 10 мА, как этого и следовало ожидать из измеренной зависимости квантового выхода от плотности тока (рис. 6.3), но наибольшего абсолютного значения величина т]0 достигает в диоде с наименьшими размерами (табл. 6.4).

Комментарии закрыты.