8Оптоэлектронные приборы

К оптоэлектронным приборам относятся светоизлучающие диоды (светодиоды) и фоточувствительные приборы – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы и т.п.

3.1.Светодиоды

Светодиодом называется полупроводниковый диод, который при протекании тока излучает свет в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Его работа основана на выделении энергии в виде электромагнитного излучения в ходе рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода.

Каждый акт рекомбинации сопровождается выделением электромагнитного кванта с частотой , где Е – энергия кванта, – постоянная Планка. Такие процессы происходят и при протекании тока в обычных диодах, однако, интенсивность излучения у них очень слабая. Это связано с тем, что одновременно с излучательным механизмом рекомбинации действует и безызлучательный, когда энергия кванта передается кристаллической решётке и происходит нагрев кристалла. В обычных диодах второй механизм преобладает над первым.

Из соотношения , следует, что длина волны излучения обратно пропорциональна энергии, выделяющейся при рекомбинации, которая в свою очередь пропорциональна ширине запрещённой зоны полупроводника. Поэтому диоды, изготовленные из германия, кремния и арсенида галлия, могут излучать лишь в инфракрасной области. Кроме того, у германиевых, кремниевых и обычных арсенид-галлиевых диодов преобладает механизм безызлучательной рекомбинации. Для изготовления светодиодов, работающих в видимом диапазоне, применяются специальные полупроводниковые материалы с большой шириной запрещённой зоны – фосфид галлия, нитрид галлия, карбид кремния и другие, обладающие значительной величиной внутреннего квантового выхода. Так называется коэффициент, равный отношению числа излучённых фотонов к количеству прорекомбинировавших пар носителей.

4.1.Характеристики светодиодов

Зависимость интенсивности излучаемой светодиодом энергии (силы света) от длины волны, называется спектральной характеристикой. Она имеет максимум на некоторой длине волны , которая определяет цвет свечения.

Рис. 6.1. Спектральные характеристики и обозначение

светодиодов на электрических схемах.

Вольтамперная характеристика светодиода (рис. 6.2) похожа на характеристику обычного полупроводникового диода.

Рис. 6.2. Вольтамперные характеристики светодиодов.

Ее особенность состоит в том, что величины прямых напряжений могут достигать нескольких вольт (из-за большой ширины запрещенной зоны полупроводников), а обратные напряжения невелики вследствие малой толщины p-n перехода. При электрическом пробое (на обратной ветви ВАХ) вследствие ударной ионизации в объеме p-n перехода также может возникнуть излучение электромагнитной энергии. Однако, его интенсивность в таком режиме мала.

Яркостная характеристика представляет собой зависимость яркости излучения от величины прямого тока. Яркость определяется отношением силы света к площади светящейся поверхности. Примерный вид такой характеристики приведен на рис. 6.3. Ее загибы на начальном и конечном участках объясняются тем, что при малых и больших токах увеличивается вероятность безызлучательной рекомбинации.

Рис. 6.3. Яркостная характеристика светодиода.

В отличие от ламп накаливания, светодиоды являются очень быстродействующими, безынерционными приборами. Они могут переключаться, излучая и не излучая свет с частотами в миллионы раз в секунду.

Ряд параметров, которыми характеризуются светодиоды, аналогичны параметрам обычных диодов: прямое напряжение при заданном прямом токе, максимально допустимый прямой ток, обратное напряжение и максимальная мощность рассеивания. Кроме этого используется и дополнительные параметры, характеризующие светодиод, как излучательный прибор: длина волны максимума излучения или цвет свечения, яркость или сила света при заданном прямом токе (для инфракрасных диодов используется показатель мощности излучения), диаграмма направленности и т.п.

Основные области применения светодиодов – системы отображения информации и передачи данных. Светодиоды могут выпускаться с самыми различными конфигурациями корпусов в виде кружков, треугольников, полосок, наборов сегментов для отображения цифровой информации и т.п.

В современных светодиодах используются так называемые гетеропереходы, которые возникают при контакте разнородных полупроводников с отличающимися значениями запрещенных зон. Работы в этом направлении проводились лауреатом Нобелевской премии Ж.И. Алферовым и позволили создать супер яркие светодиоды с диапазоном длин волн излучения вплоть до синего и ультрафиолетового.

Такие светодиоды находят применение в системах электронных табло, светофорах и т.п. Светодиоды с белым цветом свечения представляют собой комбинацию в одном корпусе кристаллов, излучающих разные цвета, смешивание которых обеспечивает получение белого.