Светодиоды

Светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими

электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения. Явление свечения в светодиоде называется инжекционной электролюминесценцией. Основой светодиода является p – n-переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении.

При прямом смещении потенциальный барьер p – n-перехода понижается и происходит инжекция электронов в p-область и дырок в n-область. В процессе рекомбинации неосновных носителей в p – n-переходе энергия выделяется в виде фотонов, т. е. процесс рекомбинации сопровождается световым излучением, частота которого пропорциональна ширине запрещенной зоны полупроводникового материала. Если ширина запрещенной зоны больше 1,8 эВ, то излучение невидимое и находится в инфракрасной зоне спектра.

Светодиодные индикаторы характеризуются:

• малым значением (1 – 5 В) рабочего напряжения;

• малой инерционностью, обеспечивающей быстродействие (50 –200 нс);

• широким диапазоном рабочих температур;

• простотой модуляции и возможностью питания постоянным, переменным и импульсным напряжением.

Основные характеристики представлены на рисунке 31.

Основные параметры светодиодов:

• I_v – сила света – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении (составляет десятые доли мкд);

• яркость излучения, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (составляет десятки-сотни кандел на сантиметр в квадрате);

• постоянное прямое напряжение (2…4 В);

• цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку;

• максимально допустимый постоянный прямой ток (составляет десятки мА);

• максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В);

• быстродействие излучающего диода (δ = 10^-6…10^-9 с), определяемое временем переключения t_пер;

• диапазон температур окружающей среды (t = − 60… + 70 °C);

• срок службы – 10⁴…10⁶ ч.

I_пр

δ₁

δ₂

δ₁

δ₂

δ₃

δ₃

U_пр

0

0

0

δ₁

δ₂

P

λ

L

I

а

б

в

Рисунок 31 – Характеристики светодиодов:

а – вольт-амперные; б – спектральная; в – яркостная

Недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры. Выпускаются светодиоды в виде точечных приборов, матричных панелей и в виде знакосинтезирующих индикаторов.

Применяются светодиоды в устройствах визуального отображения информации, в фотореле, различных датчиках и при создании оптронов.

Фотодиоды

Конструкция фотодиода (рисунок 32) сходна с конструкцией плоскостного германиевого диода. Это пластинка полупроводника с областями р- и n-проводимости, которые разделены р – n-переходом. Пластинка

заключена в корпус из прозрачной пластмассы или в металлический корпус с окном, пропускающим световой поток.

1

2

3

4

5

9

8

7

6

Рисунок 32 – Конструкция ФД-1:

1 – кристалл германия с p – n-переходом;

2 – кристаллодержатель; 3 – корпус;

4 – вывод; 5 – металлическая трубка;

6 – вольфрам; 7 – ножка;

8 – оловянное кольцо; 9 – стеклянное окно

Фотодиоды могут работать в режиме фотогенератора (без внешнего источника питания) и в режиме фотопреобразователя (с внешним источником питания, включенным в обратном направлении).

В режиме фотогенератора (рисунок 33) при освещении n-области в ней образуются пары: электрон и дырка. Образовавшиеся заряды диффундируют к переходу, полем которого дырки втягиваются в р-область (I_Ф). При разомкнутом ключе в р-области накапливается избыточный положительный заряд, а в п-области отрицательный заряд. На электродах фотодиода возникает разность потенциалов (ЭДС фотогенератора), понижающая потенциальный барьер. Это приводит к возникновению прямого тока (I_пр) через р – п-переход, при этом на электродах фотоэлемента устанавливается ЭДС, которая меньше высоты потенциального барьера до освещения.

Если электроды замкнуты накоротко, то разность потенциалов на них не возникает и высота потенциального барьера при освещении не изменится. При включении R_н протекающий через него ток нагрузки I_н = I_Ф – I_пр. При

уменьшении R_н возрастает I_н и на такую же величину уменьшается I_пр.

Ф

Ф

_{– – –}

_{– – –}

_+++-

_+++-

S₁

R_н

R_н

G_1н

E

–

+

p

p

n

n

а б

Рисунок 33 – Включение фотодиода в режимах:

а – фотогенератора; б – фотопреобразователя

В режиме фотопреобразователя при приложении обратного напряжения его потенциальный барьер увеличивается. Так как приложенное напряжение значительно больше фото ЭДС, то при освещении р – п-перехода высота потенциального барьера практически не изменяется и все освобожденные светом и разделенные полем р – п-перехода заряды уходят во внешнюю цепь. Прямой ток через р – п-переход, который возникает при работе в режиме фотогенератора и уменьшает ток в нагрузочном сопротивлении, в данном случае равен нулю.

При отсутствии света через р – п-переход и R_н протекает обратный ток р – п-перехода I_окр = I_Т (где I_Т – темновой ток), при освещении фотодиода через R_н протекает ток I_общ = I_Ф – I_Т. Так как внутреннее сопротивление фотодиода в этом режиме велико, ток не зависит от R_н в широком диапазоне. Вторым преимуществом работы фотодиода в режиме фотопреобразователя является линейность энергетической характеристики фототока. В режиме фотогенератора энергетическая характеристика фототока линейна лишь при очень малых потоках излучения, падающих на фотодиод, или малых R_н.