4.3. Светодиоды

Существует еще одна возможность реализации потенциальных барьеров в полупроводниковых материалах – это гетеропереходы, переходы между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Только эта технология позволила создать светодиоды и полупроводниковые лазеры. Светодиод – это диод, в котором при протекании прямого тока в области потенциального барьера возникает излучение, направленное перпендикулярно направлению тока. ВАХ светодиода подобна ВАХ диода с p-n–переходом. Напряжение отпирания лежит в диапазоне (1,2–1,5) В для светодиодов инфракрасного излучения и (2–2,5) В для светодиодов видимого света. Прямая ветвь светодиодов идет более круто, что говорит о достаточно малом дифференциальном сопротивлении. Полупроводниковые лазеры – это светодиоды с внутренним оптическим резонатором, функцию которого выполняет потенциальный барьер, имеющий для этого специальную геометрию. Выходное излучение лазера является почти когерентным, монохроматичным и узконаправленным. Основные направления использования полупроводниковых лазеров – интегральная оптика, волоконно-оптические системы связи, прецизионные измерительные системы.

Основные характеристики светодиодов

1. Вольт-амперная характеристика – зависимость тока Ic через светодиод от прямого напряжения U_*.

2. Ватт-амперная (люмен-амперная) характеристика – зависимость мощности излучения (яркости свечения) от прямого тока Ic через светодиод:

Ф = k ^. Ic, (4.9)

где k – коэффициент пропорциональности, имеющий величину порядка 50 мкВ для светодиодов видимого спектра излучения и 50 мВ для инфракрасных светодиодов.

Температурный коэффициент ТК_Ф  (0,2–1) %/ ^оС.

3. Спектральная характеристика – зависимость отношения Ф/Фm мощности излучения Ф к максимальному значению Фm от длины волны излучения .

4. Диаграмма направленности характеризует угол  рассеяния излучения, по которому светодиоды подразделяются на приборы направленного (  10^о– 40^о) и рассеянного ( > 40^о) излучения.

5. Амплитудно-частотная характеристика – зависимость изменения мощности Ф от частоты тока Ic при постоянной амплитуде этого тока:

Ф(р) = Фо/(1+р), (4.10)

где  = Сс ^. rc– постоянная времени светодиода; Сс = 100 пФ – емкость светодиода; rc = т/Iс – дифференциальное сопротивление светодиода.

Применение светодиодов

1. Элементы индикации (знакосинтезирующие индикаторы и линейные светодиодные шкалы).

2. Оптроны, оптоволоконные линии связи.

3. Элементы датчиковой РЭА.

4.4. Фотодиоды

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на явлении фотогальванического эффекта. Движение электронов е^- и дырок е⁺ в области p-n–перехода создает дрейфовый ток. При этом е⁺ заряжают р-область положительно, а е^- заряжают n-область отрицательно. В результате возникает фотоЭДС Е_ф, которая снижает внутренний потенциальный барьер до значений, равных ширине запрещенной зоны.

Малосигнальная эквивалентная схема включения фотодиода приведена на рис. 4.9.

r_б I_фд

R

I_ф I_p-n U

Рис. 4.9

Уравнение для тока I_фд имеет вид

I_фд = U/R = I_ф – I_p-n = I_ф(Ф) – I_o [exp(U/_t – 1)], (4.11)

где I_o – тепловой ток фотодиода; I_ф(Ф) – фототок, значение которого определяется мощностью светового потока Ф.

Основные режимы работы фотодиода

1. Фотодиффузионный. Характеризуется тем, что при сопротивлении нагрузки R получаем I_ф = I_p-n. Тогда напряжение холостого хода U_хх, равное фотоЭДС,

U_хх = _t^. Ln(1 + I_ф/I_o). (4.12)

2. Фотогальванический. Характеризуется тем, что при R0 получаем

I_кз = I_ф.

3. Фотодиодный. В этом режиме последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения U. И т. к. I_фд = I_ф – I_p-n;

I_p-n = I_o^. [exp(U/_t – 1)]  - I_o; I_фд = I_ф + I_о; I_ф >> I_о, можно считать, что

I_фд  I_ф(Ф). (4.13)

Основные характеристики фотодиодов

1. Вольт-амперная характеристика – зависимость фототока от приложенного к фотодиоду напряжения при заданных значениях светового потока.

2. Энергетическая характеристика – зависимость фототока от мощности светового потока.

Для фотодиодного режима I_фд = k ^. Ф,

где k – коэффициент фоточувствительности (справочный параметр);

для фотогальванического режима I_кз = k_кз ^. Ф (k_кз < k);

для фотодиффузионного режима U_хх = f(Ф) и U_ххmax = (0,4–0,5) В.

3. Световая характеристика – зависимость коэффициента фоточувствительности от длины волны излучения.

4. Амплитудно-частотная характеристика – зависимость коэффициента фоточувствительности от частоты светового потока.