Светоизлучающие диоды ик-диапазона

 

Использование: в областях телекоммуникаций, спектроскопии и, в особенности, газовых датчиков. Технический результат изобретения заключается в обеспечении снижения или устранения требований стабилизации температур для устойчивой работы светодиодов в инфракрасном (ИК) диапазоне. Сущность: светоизлучающий диод ИК-диапазона испускает положительную люминесценцию при прямом смещении и испускает отрицательную люминесценцию при обратном смещении. Диод возбуждают входным напряжением чередующегося прямого и обратного смещения так, чтобы разность выходной мощности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией светоизлучающего диода стабилизировалась относительно температуры. 4 с. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение касается полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), которые испускают электромагнитное излучение на инфракрасных (ИК) длинах волн. Светоизлучающие диоды ИК-диапазона применяют в областях телекоммуникаций, спектроскопии и, в особенности, газовых датчиков.

Технология инфракрасных датчиков газа хорошо признана и может обеспечивать селективное и количественное обнаружение различных газов, имеющих колебательно-вращательные поглощения на длинах волн между 3 и 12 микронами. Существующие инфракрасные источники для газовых датчиков на инфракрасных длинах волн работают при высоких температурах и, вследствие этого, имеют ряд недостатков в части подлинной безопасности, диапазона длин волн, стабильности и срока службы. Кроме того, существующие источники испускают импульсы инфракрасного излучения на частоте, ограниченной максимальной частотой порядка нескольких Герц, которая не согласуется с оптимальными рабочими частотами обрабатывающей электроники и ограничивает тип детектора сигнала ИК-излучения, который можно использовать в газовом датчике.

В последнее время разработанные СИД ИК-диапазона преодолевают большую часть этих проблем при применениях в газовых датчиках. Новые светоизлучающие диоды ИК-диапазона периодически подвергаются положительному напряжению смещения с целью генерирования серии импульсов инфракрасного излучения. Однако выходная мощность этих импульсов значительно зависит от температуры. В соответствии с этим, во время использования такого СИД ИК-диапазона в устройствах газовых датчиков следует либо контролировать температуру СИД и результаты математически корректировать для изменений температуры, либо необходимо стабилизировать температуру СИД. Нормальный способ стабилизирования оптической выходной мощности относительно температуры представляет собой использование способов регулирования температуры, типа сочетания термоэлектрического охлаждения или охлаждения посредством эффекта Пельтье и термочувствительных элементов. Следовательно, стабилизирование и/или контроль температуры добавляет стоимость и сложность к работе СИД инфракрасного диапазона при применениях для обнаружения газа.

Проекционный аппарат динамической инфракрасной обстановки, содержащий светоизлучающие диоды инфракрасного диапазона, способный к испусканию и положительной, и отрицательной люминесценции, описан в Международной Заявке на патент PCT/GB 96/02374. Газовый датчик, включающий в себя светоизлучающий диод инфракрасного диапазона, который может испускать и положительную, и отрицательную люминесценцию, описан в статье К.Х. Уонга (C.H. Wang) и др. под названием "Обнаружение диоксида азота с использованием светоизлучающего диода InSb средней части инфракрасного диапазона для работы при комнатной температуре", которая была опубликована в "Документах по Электронике", т. 34, (5 февраля 1998), с. 300-301.

Целью настоящего изобретения является обеспечение устройства СИД ИК-диапазона, которое не требует значительной стабилизации температур для работы устойчивым образом.

В соответствии с этим, первый аспект настоящего изобретения обеспечивает устройство светоизлучающего диода инфракрасного диапазона, содержащее: светоизлучающий диод инфракрасного диапазона, который испускает положительную люминесценцию при напряжении прямого смещения и отрицательную люминесценцию при напряжении обратного смещения, и средство возбуждения для передачи входного напряжения чередующегося прямого и обратного смещения на светоизлучающий диод; отличающееся тем, что уровни напряжений прямого и обратного смещений, подаваемых средством возбуждения, устанавливают так, что при уровне входного напряжения прямого смещения изменение выходной мощности СИД с изменением температуры по существу оказывается равным изменению выходной мощности СИД при изменении температуры в случае уровня входного напряжения обратного смещения и уравновешивается им по всему выбранному интервалу температур, так что разность выходной мощности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией светоизлучающего диода стабилизируется относительно температуры.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения обеспечивается способ функционирования светоизлучающего диода инфракрасного диапазона, который испускает положительную люминесценцию при напряжении прямого смещения и отрицательную люминесценцию при напряжении обратного смещения, где способ содержит подачу входного напряжения чередующегося прямого и обратного смещения на светоизлучающий диод, отличающийся тем, что уровни напряжений прямого и обратного смещений выбирают так, чтобы изменение выходной мощности СИД с изменением температуры было по существу равно изменению выходной мощности СИД при изменении температуры в случае уровня входного напряжения обратного смещения и уравновешивается им по всему выбранному интервалу температур так, чтобы разность выходной мощности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией светоизлучающего диода стабилизировалась относительно температуры.

Следовательно, составляющая выходной мощности, испускаемой светоизлучающим диодом (СИД), которая изменяется чередующимся входным напряжением прямого и обратного смещения, имеет постоянную разность между максимальной (положительная люминесценция) и минимальной (отрицательная люминесценция) выходной мощностью в каждом цикле положительной и отрицательной люминесценции по всему выбранному диапазону температур. В соответствии с этим, если минимальная отрицательная люминесценция используется в качестве базового уровня для измерений выходной мощности, то разность между этим базовым уровнем (который изменится с изменением температуры) и максимальным уровнем положительной люминесценции (который также изменяется с изменением температуры) остается постоянной по всему выбранному диапазону температур для каждого цикла положительной и отрицательной люминесценции. Таким образом, температуру, стабилизированную чередующейся выходной мощностью, можно использовать в качестве источника в различных применениях инфракрасного излучения, особенно в газовых датчиках, с небольшим внешним управлением температурой или без него.

Устройство диода инфракрасного излучения по настоящему изобретению может также увеличивать амплитуду применимого сигнала ИК-излучения, потому что можно использовать импульс отрицательной люминесценции, а также импульс положительной люминесценции, например, в устройствах газовых датчиков.

Это можно понять, ссылаясь на фиг.4а, на которой показано изменение положительной люминесценции и отрицательной (инвертированной) люминесценции с изменением температуры для образца СИД ИК-диапазона, и фиг.4b, на которой показан единственный цикл положительной и отрицательной люминесценции для образца СИД ИК-диапазона при двух различных температурах. На фиг.4а можно видеть, что положительная люминесценция (эмиссия при напряжении прямого смещения) для полупроводникового СИД ИК-диапазона, измеренная на фиг.4а, монотонно уменьшается с увеличением температуры в диапазоне по меньшей мере 0-50^oС. В результате этого отношение температуры зависит от механизмов излучающей и доминирующей неизлучающей рекомбинации внутри СИД. На фиг.4b также показано, что при температуре 10^oС выходная мощность в положительной люминесценции составляет P_p1, а при температуре 25^oС выходная мощность в положительной люминесценции уменьшается до Р_р2. В случае отрицательной люминесценции (эмиссия при напряжении обратного смещения) из фиг.4а можно видеть, что имеется устойчивое увеличение интенсивности с изменением температуры от величины ниже 0^oС до приблизительно 35^oС. В результате этого СИД находится в состоянии обратного насыщения по всему этому интервалу температур, так что интенсивность отрицательной люминесценции прежде всего связана с процессами излучения внутри СИД. Это также показано на фиг.4b, на которой при температуре 10^oС выходная мощность отрицательной люминесценции составляет Р_N1, а при температуре 25^oС выходная мощность отрицательной люминесценции имеет более высокую интенсивность (то есть, является более отрицательной), равную P_N2. Однако, выбирая правильный уровень напряжения для прямого и обратного смещения, по выбранным интервалам температур, изменение положительной люминесценции при температурах от 10 до 25^oС можно делать по существу таким же уравновешенным, как и посредством изменения отрицательной люминесценции. Это вызывает увеличение постоянной разности между выходной мощностью положительной люминесценции и отрицательной люминесценции для каждого цикла. Это показано на фиг.4b, потому что dP₁=dP₂.

Следовательно, предпочитают уровень нахождения прямого и обратного смещения выбирать так, чтобы при прямом смещении изменение выходной мощности СИД с изменением температуры было по существу равно изменению выходной мощности СИД с изменением температуры при обратном смещении и уравновешивалось им по избранному интервалу температур.

Подключение СИД, представленного на фиг.4а, поочередным входным напряжением прямого и обратного смещения так, чтобы СИД работал с поочередной положительной и отрицательной люминесценцией, температурные зависимости, показанные на фиг.4а, можно сделать уравновешивающими друг друга в выбранных интервалах температур между 0 и 35^oС. Таким образом, уменьшается чувствительность к температуре разности выходной мощности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией. Интервалы температур, в которых достигается уменьшенная чувствительность к температуре, соответствуют практическим рабочим температурам светоизлучающих диодов ИК-диапазона. Это позволяет устройство СИД по настоящему изобретению приводить в действие более упрощенной техникой стабилизирования температуры.

Для улучшения стабилизирования температуры входное напряжение чередующегося прямого и обратного смещения чередуется через одинаковые промежутки. В частности предпочитают, чтобы период и/или величина входного напряжения прямого смещения были по существу одинаковыми в последовательных циклах положительной люминесценции, а период и/или величина входного напряжения обратного смещения - по существу одинаковыми в последовательных циклах отрицательной люминесценции. Однако период и/или величина входного напряжения прямого смещения не должны быть такими же, как соответственные период и/или величина входного напряжения обратного смещения.

Чтобы добиться максимальной выходной мощности, при одновременном достижении температурной стабилизации, уровень напряжения обратного смещения выбирают так, чтобы он дал максимальную отрицательную люминесценцию при максимальной температуре в выбранном интервале температур работы. Затем выбирают уровень напряжений прямого смещения, как описано выше. Положительная и отрицательная люминесценция описанных здесь светоизлучающих диодов увеличиваются в случае прикладываемых уровней смещения, например, при увеличении тока смещения, пока произойдет насыщение при обратном смещении. Следовательно, чтобы достигать максимальных выходных мощностей при одновременном достижении температурного стабилизирования, предпочитают выбирать уровень напряжения обратного смещения так, чтобы он был минимально необходимым для формирования тока, близкого к току насыщения.

В предпочтительном варианте осуществления частота входного сигнала чередующегося смещения составляет по меньшей мере 1 Гц и предпочтительно по меньшей мере 5 Гц. Частота входного сигнала чередующегося смещения должна быть достаточно высокой, чтобы зависимые от температуры изменения выходной мощности в течение полупериода сигнала (то есть зависимые от температуры изменения выходной мощности в течение каждого периода напряжения прямого смещения или обратного смещения) были незначительными. Верхний предел для частоты ограничивается только из-за немгновенной реакции СИД ИК-диапазона на изменения между прямым и обратным смещениями. Настоящее изобретение должно быть эффективным до частот, составляющих по меньшей мере несколько десятков мегагерц.

В предпочтительном варианте осуществления светоизлучающий диод испускает излучение на инфракрасных длинах волн в диапазоне 3-13 микрон.

В следующем предпочтительном варианте осуществления светоизлучающий диод образован из узкозонного полупроводникового материала.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения обеспечивается устройство датчика, включающее в себя светоизлучающий диод ИК-диапазона, который является температурно устойчивым, как описано выше. Светоизлучающий диод согласно настоящему изобретению предназначен для использования в большинстве типов датчиков, требующих источник инфракрасного излучения, в конкретных газовых датчиках.

Настоящее изобретение обеспечивает устройство светоизлучающего диода ИК-диапазона с температурной стабилизацией и содержащее светоизлучающий диод ИК-диапазона и средство возбуждения для подачи входного напряжения чередующегося прямого и обратного смещения на светоизлучающий диод.

Настоящее изобретение будет теперь описано со ссылкой на следующие чертежи, на которых: фиг. 1 схематически иллюстрирует структуру полупроводникового светоизлучающего диода (СИД) ИК-диапазона, предназначенного для использования в устройстве, соответствующем настоящему изобретению.

Фиг. 2 графически иллюстрирует изменение граничных энергий зоны проводимости и зоны валентности вдоль СИД согласно фиг.1.

Фиг. 3 схематически иллюстрирует полупроводниковую гетероструктуру, выращиваемую для производства устройства согласно фиг.1.

Фиг.4а представляет график, иллюстрирующий температурную зависимость положительной люминесценции выходной мощности типа СИД, показанного на фиг.1, при напряжении прямого смещения, и отрицательной люминесценции типа СИД, показанного на фиг.1, при напряжении обратного смещения.

Фиг.4b иллюстрирует единственные циклы положительной и отрицательной люминесценции для типа СИД, показанного на фиг.1, при температурах 10 и 25^oС.

Фиг. 5 схематически иллюстрирует схему возбуждения для СИД согласно фиг. 1.

Фиг.6 иллюстрирует сигнал возбуждения напряжения типа прямоугольного импульса, который может поступать в схему возбуждения согласно фиг.5.

Фиг.7 схематически иллюстрирует детектор на присутствие газа (газоопределитель), в котором используется СИД согласно фиг.1.

Фиг. 8а-8с показывают температурную зависимость разности выходной мощности между положительной и отрицательной люминесценциями устройства СИД, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9 иллюстрирует спектры выходной эмиссии трех образцов типа СИД, показанного на фиг.1.

Рассматривая вначале фиг. 3, отметим, что здесь схематически показана полупроводниковая гетероструктура (10), предназначенная для конструирования СИД согласно настоящему изобретению. Гетероструктура (10) основана на узкозонном материале индиевого антимонида (InSb) и содержит сплавы индиевого антимонида (InSb) и индий-алюминиевого антимонида (In_1-x Al_xSb). Альтернативные подходящие гетероструктуры могут быть основаны, например, на узкозонном материале ртутно-кадмиевого теллурида или ртутно-цинкового теллурида.

Имеются четыре области полупроводникового материала: сильно легированная область (12) р-типа (р⁺), относительно широкозонная сильно легированная область (14) р-типа , слабо легированная область (16) р-типа (р^-) и сильно легированная область (18) n-типа (n⁺). В этом описании верхний индекс "минуса" (-) или "плюса" (+) указывает слабое или сильное легирование соответственно, а отсутствие верхнего индекса указывает промежуточный уровень легирования. Нижняя черта (_) указывает материал с широкой запретной зоной относительно запретной зоны материала, обозначенного без нижней черты. Структура (10) имеет гетеропереход (20) , гетеропереход (22) и гомопереход (24) р^--n⁺.

Следует отметить, что слабо легированная область (16) р-типа (р^-) может в качестве альтернативы содержать слабо легированный материал n-типа (n^-).

Гетероструктуру (10) наращивают в системе МВЕ (эпитаксии молекулярных пучков) на подложке (26) InSb. Рядом с подложкой (26) наращивается буферная и температурная линейно нарастающая область (28), в то время как систему МВЕ правильно устанавливают для наращивания гетероструктуры (10). Температура наращивания составляет приблизительно 420^oС, а темп наращивания составляет 0,5 микрона/час. Изготовление мезадиода выполняют, используя стандартный метод фотолитографии на гетероструктуре (10) с целью определения структуры химическим травлением.

P⁺-область (12) имеет ширину приблизительно 2 микрона, р^- область (16) имеет ширину порядка 1-3 микрона, а n⁺-область (18) имеет ширину приблизительно 1 микрон, и все они изготовлены из материала InSb, который имеет запрещенную зону 0,17 эВ при комнатной температуре. -область (14) сделана из In_0,85Al_0,15Sb и имеет ширину 0,02 микрона. In_0,85Al_0,15Sb имеет запрещенную зону при комнатной температуре, равную 0,43 эВ, в два раза больше, чем запрещенная зона InSb. Легирующими примесями являются кремний (Si) для n-типа и бериллий (Be) для р-типа. Добавление присадок в областях (12) и (14) составляет 510¹⁸ атомов/см³, в области (16) - 110¹⁵ атомов/см³, а в области (18) - 310¹⁸ атомов/см³.

Обращаясь теперь к фиг.1, отметим, что здесь схематически показан полупроводниковый СИД (30). Части, общие с фиг.1 и 3, имеют аналогичные ссылочные позиции. Как будет описано ниже, переход (22) образует накапливающий контакт при напряжении прямого смещения и не допускающий контакта при напряжении обратного смещения. р^--n⁺-переход (24) образует инжектирующий контакт при напряжении прямого смещения и извлекающий контакт при напряжении обратного смещения. Электроды для диода (30) обеспечиваются в местоположениях (32) и (34) для приложения напряжения смещения.

Область (12) обеспечивает узкозонную область, к которой можно прикреплять электрод (32), и ширина этой области должна быть больше, чем диффузионная длина электронов, то есть больше, чем приблизительно 100 нм. Область (14) должна иметь достаточную ширину, чтобы по существу предотвращать туннелирование неосновных носителей заряда от области (16) к области (12), то есть - более широкая, чем примерно 10 нм.

На фиг.2 показаны кривые (40) и (42), графически иллюстрирующие изменение энергий Е_c и Е_v границы зоны электропроводности и валентности соответственно, вдоль диода (10), при нулевом смещении. Пунктирные линии (44), (46) и (48) показывают положения переходов (20), (22) и (24) соответственно. Пунктирная линия (50) показывает уровень Е_F Ферми через диод (30). -область (14) вырабатывает потенциальный барьер (52) в зоне _c электропроводности, который предотвращает прохождение неосновного носителя (электронов) от р^-области (16) в р⁺-область (12).

Светоизлучающий диод (30) работает следующим образом.

При подаче напряжения прямого смещения посредством осуществления контакта (32), имеющего положительное напряжение относительно контакта (34), основные носители от каждой стороны р^--n⁺-перехода (24) пересекают переход и поступают в материал на другой стороне, где они являются неосновными носителями. Таким образом, электроны переходят из n⁺-области (18), в которой они являются основными носителями, в р^--область (16), в которой они являются неосновными носителями, и таким образом вызывают увеличение заселенности неосновных носителей. Избыток неосновных носителей в р^--области диффундирует из р^--n⁺-перехода (24), но нарастание неосновных носителей в р^--области (16) является очень эффективным, потому что неосновные носители в р^--области накапливаются в -области (14) посредством потенциального барьера (52). Избыток неосновных носителей в р^--области излучательным образом рекомбинирует с основными носителями, и в результате этого они генерируют фотоны инфракрасной длины волны, которые испускаются диодом (30). Это вызывает положительную люминесценцию диода (30).

При обратном смещении, когда на контакте (32) имеется отрицательное напряжение относительно контакта (34), неосновные носители заряда от каждой стороны р^- -n⁺-перехода (24) пересекают переход и входят в материал на другой стороне, где они являются основными носителями. Таким образом, электроны из р^--области (16), в которой они являются неосновными носителями, переходят в n⁺-область (18), в которой они являются основными носителями зарядов, и таким образом вызывают уменьшение заселенности неосновных носителей р^--области (16). Это извлечение неосновных носителей из р^--области (16) является очень эффективным, потому что предотвращается переход неосновных носителей из р⁺-области (12) в р^--область (16) посредством потенциального барьера (52). Уменьшение неосновных носителей в низколегированной р^--области имеет эффект уменьшения событий излучательной эмиссии, появляющихся в р^--области (16), и вызывает относительную отрицательную люминесценцию диода (30).

Материал и легирование по меньшей мере для области (18) выбирают так, чтобы область (18) была прозрачной для фотонов, вырабатываемых посредством рекомбинации связанных электронно-дырочных пар в р^--области (16). Таким образом, фотоны, вырабатываемые в р^--области (16), могут быть спарены прямо из р^--области (16) и косвенно из n⁺-области (18).

На фиг.4а показано линией (а) изменение выходной мощности, испускаемой с изменением температуры в ^oС для СИД, подобного СИД (30) на фиг.1, в случае прямого смещения током возбуждения 100 мА положительной прямоугольной волны с частотой 1 кГц. На фиг.4а заметна сильная зависимость выходной мощности от температуры, и можно видеть, что выходная мощность уменьшается приблизительно линейно с увеличением температуры между приблизительно 0 и 50^oС. На фиг. 4а также показано линией (b) изменение отрицательной люминесценции (инвертированной относительно температурной оси) с изменением температуры в ^oС для того же самого СИД при реверсированном смещении током возбуждения 100 мА положительной прямоугольной волны с частотой в 1 кГц. Можно видеть, что инвертированная отрицательная люминесценция увеличивается приблизительно линейно с увеличением температуры между приблизительно 0 и 35^oС.

Согласно настоящему изобретению СИД (30) возбуждается током смещения чередующейся полярности, между состоянием положительной люминесценции и отрицательной люминесценции, чтобы добиться температурной стабилизации разности между выходной мощностью в положительной и отрицательной люминесценции.

Это показано на фиг.4b, на которой при температуре 10^oС выходная мощность в положительной люминесценции составляет Pp₁, а при температуре 25^oС выходная мощность в положительной люминесценции уменьшается до Рр₂. Сравним это с положением на фиг.4b, в котором при температуре 10^oС выходная мощность в отрицательной люминесценции Р_N1 и при температуре 25^oС выходная мощность в отрицательной люминесценции имеет большую интенсивность (то есть, является более отрицательной), равную Р_N2. Можно видеть, что благодаря выбору правильного тока смещения для прямого и обратного смещения, по всем выбранным интервалам температур, изменение положительной люминесценции при температурах от 10 до 25^oС по существу является одинаковым с изменением отрицательной люминесценции и уравновешивается им. Это вызывает увеличение постоянной разности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией в каждом цикле, как показано на фиг.4b, потому что dP₁=dP₂.

Обращаясь теперь к фиг.5, отметим, что на ней показан светоизлучающий диод (30) в простой схеме возбуждения. Входной сигнал на входных клеммах (34) показан на фиг.6 и содержит сигнал чередующейся положительной и отрицательной волны прямоугольной формы с напряжением V, которое изменяется между +v₁ и -v₂ со временем t на частоте 10 Гц. Когда напряжение на диоде (30) равно +v₁, диод снабжается напряжением прямого смещения и таким образом испускает импульс положительной люминесценции ИК-излучения (например, как показано на фиг.4b позициями (60, 62)). Когда напряжение на диоде (30) равно -v₂, диод снабжается напряжением смещения и испускает импульс отрицательной люминесценции (например, как показано на фиг._b позициями (64, 66)). Благодаря чередованию между +v₁ и -v₂, температурная зависимость разности выходной мощности между импульсом положительной люминесценции и последующим импульсом отрицательной люминесценции диода СИД (30) существенно уменьшается (например, на фиг.4b dP₁ при 10^oС равен dP₂ при 25^oС) по некоторым интервалам температур, в частности, в пределах интервала температур от 0 до 35^oС.

На фиг. 8а-8с показаны графики разности полной выходной мощности между последовательными выходными импульсами положительной и отрицательной люминесценции в зависимости от температуры для СИД описанного выше типа, когда он возбуждается чередующимся положительным и отрицательным сигналами напряжения прямоугольной формы волны частоты 10 кГц, как описано выше. На фиг.8а ток прямого смещения равен 100 мА, а ток обратного смещения равен 70 мА. Как можно видеть на фиг.8а, разность выходной мощности оказывается по существу постоянной по интервалу температур А приблизительно 3^oС, в интервале приблизительно 20-23^oС. На фиг.8b ток прямого смещения, подведенный к СИД, равен 100 мА, а ток обратного смещения равен 60 мА. Как можно видеть на фиг.8b, разность выходной мощности остается по существу постоянной по интервалу В температур, равному приблизительно 5^oС, в интервале приблизительно 15-20^oС. И наконец, на фиг.8с ток прямого смещения, подводимый к СИД, равен 100 мА, а ток обратного смещения составляет 50 мА. Как можно видеть на фиг.8с, разность выходной мощности остается по существу постоянной по интервалу С температур, равному приблизительно 5^oС, в интервале приблизительно 10-15^oС.

В настоящее время установлено, что используя токи различных соотношений прямого и обратного смещений, диод (30) можно приводить в действие так, чтобы в интервале температур до 6^oС разность мощности выходного сигнала ИК-диапазона диода изменялась меньше, чем на 0,2%. Диод (30) можно также приводить в действие током прямого смещения величиной 100 мА и током обратного смещения величиной 50 мА так, чтобы в интервале температур до 14^oС разность мощности инфракрасного выходного сигнала диода изменялась меньше, чем на 1% (см.фиг.8с). Кроме того, используя различные соотношения тока прямого и обратного смещений, по существу постоянные интервалы температур А, В и С, которые описаны выше, можно сдвигать по температуре до 10^oС. Это показано на фиг. 8с, на которой середина устойчивой температурной области составляет приблизительно 12,5^oС, по сравнению с фиг.8а, на которой середина устойчивой температурной области равна 21,5^oС. Кроме того, шум для этих отсчетов был меньше, чем 0,7% силы выходного сигнала.

Описанные выше интервалы температур, по которым достигается уменьшенная чувствительность к температуре, соответствуют практическим рабочим температурам и позволяют устройству СИД, соответствующему настоящему изобретению, стабилизироваться простым термоэлектрическим охладителем.

Спектры выходной эмиссии трех образцов типа СИД (30), показанного на фиг. 1, изображены на фиг.9. Спектр А представляет собой спектр диода InSb ИК-диапазона, типа описанного выше со ссылкой на фиг.1 и 3, а спектры В и С представляют спектры двух различных диодов HgCdTe ИК-диапазона. Можно видеть, что диод InSb может быть полезным в качестве источника при обнаружении газов NO и NO₂, потому что колебательно-вращательная поглотительная характеристика всплесков газов NO и NO₂ находится в пределах спектра А. Точно так же, диод HgCdTe со спектром В может быть полезным при обнаружении газов NO₂ и SO₂, а диод HgCdTe со спектром С может быть полезным при обнаружении газов SO₂ и O₃.

Следует отметить, что разность выходной мощности между положительной и отрицательной люминесценциями для различных длин волн в спектрах этих диодов ИК-диапазона не изменяет независимость от температуры, и поэтому, когда общая разность выходной мощности СИД (30) остается по существу постоянной по всему интервалу температур, при любой длине волны будет разница в выходной мощности.

Фиг. 7 схематически иллюстрирует простую конструкцию газового датчика (40) ИК-диапазона, в котором можно использовать устройство СИД согласно настоящему изобретению. Датчик (40) содержит СИД (30), как описано выше, и возбуждается, как описано выше, со спектром А, как показано на фиг.9. Свет, испускаемый СИД (30), направлен в цилиндрическую световую трубу (42) параболическим рефлектором (44). Количество газа, например газа NO₂, подлежащего анализу, вводится в трубу (42). СИД (30) испускает излучение на частотах, которые соответствуют разности между уровнями колебательно-вращательной энергии молекул газа NO₂, подлежащего обнаружению (см.фиг.9). Если газ в трубе (42) содержит некоторое количество NO₂, то некоторая часть света, испускаемого СИД (30) на характеристической длине волны приблизительно 6,2 микрона, будет поглощаться газом. Это потому, что фотоны света, испускаемые диодом, возбуждают молекулы газа NO₂ до более высокого уровня колебательно-вращательной энергии. Таким образом, устройство (46) детектора, расположенное у противоположного конца трубы (42) относительно СИД (30), обнаруживает сигнал пониженной мощности на характеристической длине волны 6,2 микрона, связанной с газом NO₂.

Устройство (46) детектора может содержать один или более фильтров (48), которые располагают напротив соответствующих детекторов (50). Комбинацию выходного спектра СИД (30) и диапазона частот, пропущенных конкретным фильтром (48), можно использовать для гарантирования, что свет, достигающий конкретного детектора (50), связан с характеристической длиной волны поглощения конкретного газа, так что сила сигнала, обнаруженного конкретным детектором (50), может определять, присутствует ли и в каком количестве присутствует соответственный газ в трубе (42).

Формула изобретения

1. Устройство светоизлучающего диода (СИД), содержащее СИД (30) ИК-диапазона, который испускает положительную люминесценцию при напряжении прямого смещения и испускает отрицательную люминесценцию при напряжении обратного смещения, средство возбуждения для подачи напряжения чередующегося прямого и обратного смещения на СИД, отличающееся тем, что уровни напряжений прямого (+V₁) и обратного (-V₂) смещений, подаваемые средством возбуждения, устанавливают так, чтобы при уровне входного напряжения прямого смещения изменение выходной мощности СИД с изменением температуры оказалось, по существу, равным изменению выходной мощности СИД с изменением температуры при уровне входного напряжения обратного смещения, и уравновешивалось им по всему выбранному интервалу температур, чтобы разность в выходной мощности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией светоизлучающего диода стабилизировалась относительно температуры.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что входное напряжение чередующегося прямого и обратного смещения чередуется с одинаковым интервалом.

3. Устройство по одному из п. 1 или 2, отличающееся тем, что период и величина входного напряжения прямого смещения, по существу, одинаковые в последовательных циклах положительной люминесценции и период и величина входного напряжения обратного смещения, по существу, одинаковые в последовательных циклах отрицательной люминесценции.

4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что входное напряжение обратного смещения, подаваемое на СИД (30), такое, что оно формирует максимальный уровень отрицательной люминесценции в СИД при максимальной температуре выбранного интервала рабочих температур.

5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что светоизлучающий диод (30) испускает излучение в инфракрасном диапазоне длин волн в интервале 3-13 мкм.

6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что светоизлучающий диод (30) образован из узкозонного полупроводникового материала.

7. Датчик (40), включающий в себя устройство светоизлучающего диода ИК-диапазона по любому из предыдущих пунктов.

8. Датчик по п. 7, в котором датчик представляет собой газовый датчик.

9. Способ приведения в действие светоизлучающего диода (СИД) (30) ИК-диапазона, который испускает положительную люминесценцию при напряжении прямого смещения и испускает отрицательную люминесценцию при напряжении обратного смещения, содержащий подачу чередующегося входного напряжения прямого (+V₁) и обратного (-V₂) смещения на светоизлучающий диод, отличающийся тем, что уровни напряжений прямого и обратного смещения выбирают так, чтобы изменение выходной мощности СИД при изменении температуры в случае уровня входного напряжения прямого смещения было, по существу, равно изменению выходной мощности СИД при изменении температуры в случае уровня входного напряжения обратного смещения и уравновешено им, по выбранному интервалу температур, чтобы разность в выходной мощности между положительной люминесценцией и отрицательной люминесценцией светоизлучающего диода стабилизировалась относительно температуры.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что чередующееся входное напряжение прямого и обратного смещения чередуется с одинаковым интервалом.

11. Способ по одному из п. 9 или 10, отличающийся тем, что период и величина входного напряжения прямого смещения, по существу, одинаковые в последовательных циклах положительной люминесценции и период и величина входного напряжения обратного смещения, по существу, одинаковые в последовательных циклах отрицательной люминесценции.

12. Способ по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что входное напряжение обратного смещения, подводимое к СИД (30), такое, что оно формирует максимальный уровень отрицательной люминесценции в СИД при максимальной температуре в выбранном рабочем интервале температур.

13. Способ по любому из пп. 9-12, отличающийся тем, что светоизлучающий диод (30) испускает излучение на инфракрасных длинах волн в диапазоне 3-13 мкм.

14. Способ по любому из пп. 9-13, отличающийся тем, что минимальный уровень отрицательной люминесценции СИД используется в качестве базового уровня для измерений выходной мощности СИД.

15. Способ работы датчика (40), содержащего светоизлучающий диод (СИД) (30) ИК-диапазона, посредством приведения в действие СИД в соответствии со способом по любому из пп. 9-14.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что датчик представляет собой газовый датчик.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10