Излучающие диоды инфракрасного диапазона с мощностью излучения до 3,3 Вт и силой излучения до 8,5 Вт/ср

Излучающие диоды инфракрасного диапазона (ИК-диоды) с момента их создания постоянно исследуются и разрабатываются с целью повышения мощности излучения и силы излучения (например, в работе [1]). В работе [2] описываются ИК-диоды с мощностью излучения до 1 Вт и силой излучения до 4 Вт/ср. В данной статье представлены результаты разработки новых ИК-диодов с мощностью излучения до 3,3 Вт, силой излучения до 8,5 Вт/ср и внешним квантовым выходом излучения до 40%.

Рис. 1. Устройство ИК-диода типа У-246Б

Для создания ИК-диодов использовались кристаллы фирмы Tyntek размером 1,5×1,5 мм с длиной волны излучения l_max = 850 ±10 нм. Конструкция ИК-диода (типы У-246Б и У-246Б-1) содержала печатную плату на медной основе, на которой устанавливались шесть кристаллов, соединенных последовательно-параллельно. На плате размещался также керамический отражатель и создавалась полимерная линза с показателем преломления полимера n = 1,56 [3]. Устройство ИК-диода показано на рис. 1. Прибор У-246Б-1 отличается от прибора У-246Б более высокой линзой, создающей меньший угол излучения. Тепловое сопротивление конструкции — не более 5 °С/Вт.

Диаграммы направленности излучения приборов приведены на рис. 2. Полуширина диаграммы направленности излучения ИК-диода типа У-246Б составляет 2q_0,5 = 95 град., ИК-диода типа У-246Б-1 — 2q_0,5 = 45–55 град.

Рис. 2. Диаграммы направленности излучения ИК-диодов типа У-246Б (кривая 1) и У-246Б-1 (кривая 2). Кривая 3 — расчетная диаграмма с углом излучения 2q0,5 = 120 град.

Спектр излучения ИК-диодов представлен на рис. 3. Полуширина спектральной полосы излучения составляет Dl_0,5 ≈ 28 нм.

Рис. 3. Спектр излучения ИК-диодов типа У-246

Мощность излучения ИК-диодов измерялась с помощью сферического интегратора диаметром 30 см, содержащего фотометрическую головку (калибровка ФГУП ВНИИОФИ).

Зависимость мощности излучения ИК-диодов типа У-246Б и У-246Б-1 от прямого тока приведена на рис. 4. Как видим, зависимость мощности излучения от прямого тока близка к линейной, мощность излучения при токе 2 А составляет 3,3 Вт. Это соответствует внешнему квантовому выходу излучения 38%. Внешний квантовый выход излучения мало зависит от прямого тока и при меньших токах приближается к 40%. Сила излучения измерялась с расстоянием фотометрирования, равным 4 м.

Рис. 4. Зависимости мощности излучения Ре и внешнего квантового выхода излучения hвн от прямого тока Jf для ИК-диодов типа У-246
Рис. 5.

Сила излучения ИК-диода типа У-246Б при токе 2А составляет 1,5 Вт/ср, а ИК-диода типа У-246Б-1 — 3,0 Вт/ср.

В импульсном режиме работы мощность излучения в импульсе может достигать 30 Вт, а сила излучения — 30 Вт/ср (при прямом импульсном токе 20 А). В аналогичных конструкциях разработаны также ИК-диоды, содержащие четыре кристалла, соединенные последовательно (типы У-242Б и У-242Б-1), и три кристалла (типы У-236Б и У-236Б-1). Фотометрические и электрические параметры приборов приведены в таблице.

Как следует из таблицы, ИК-диоды типа У-246 обеспечивают максимальную мощность излучения 2,8–3,3 Вт, а ИК-диоды типов У-242 и У-236 при значительной мощности излучения (2,0 и 1,5 Вт) позволяют получить высокую силу излучения 4,0 и 5,0 Вт/ср при углах излучения соответственно 30 и 17 град.

Разработан также узконаправленный ИК-диод повышенной мощности излучения типа У-181Б, конструкция которого аналогична конструкции прибора У-176 (с эллиптическим полимерным куполом, кристалл расположен во втором фокусе эллипса от вершины купола) [3]. В приборе У-181Б также использован кристалл размером 1,5×1,5 мм.

Зависимости мощности излучения и внешнего квантового выхода излучения от прямого тока приведены на рис. 5. Как видим, мощность излучения при токе 1,5 А достигает 825 мВт, что соответствует внешнему квантовому выходу излучения h_вн = 38%. При прямом токе менее 1,2 А величина h_внпревышает 40%, достигая при меньших токах 43,5%.

Рис. 5. Зависимости мощности излучения Ре и внешнего квантового выхода излучения hвн от прямого тока Jf для ИК-диодов типа У-181Б

Сила излучения при токе 1,5 А достигает 8,5 Вт/ср; это значение превышает данные, полученные ранее на ИК-диодах. В импульсном режиме работы сила излучения может достичь 150–170 Вт/ср (при импульсном токе 20 А).

Угол излучения 2q_0,5 равен 9 град. Прямое напряжение при прямом токе 1,5 А составляет 1,8–1,9 В.

Описанные в статье ИК-диоды обладают высоким быстродействием: время нарастания и спада импульса излучения по уровням 0,1–0,9 не более 20 нс.

ИК-диоды обладают также высокой стабильностью параметров в процессе работы. Например, приборы типа У-246 после испытания на безотказность при прямом токе 2 А и окружающей температуре +70 °С в течение 100 ч не изменили фотометрические параметры. Срок службы ИК-диодов (25 000 ч) значительно превышает срок службы лазерных диодов.

Могут быть изготовлены также аналогичные ИК-диоды в диапазоне длин волн 800–950 нм.

Авторы выражают благодарность
И. Т. Рассохину за помощь в работе.