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

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

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

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).