3.3 Светоизлучательные диоды

Полупроводниковый излучатель – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы излучающих полупроводниковых диодов. Термином «излучающие диоды» охватывают диоды, работающие в диапазоне видимого излучения, – это светоизлучающие диоды (СИД) (используются для визуального отображения информации) и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения – инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды). Современные излучательные диоды обладают следующими достоинствами: высоким значением КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узким спектром излучения (квазимонохромотичность) для одного типа диодов, с одной стороны, и перекрытием почти всего оптического диапазона излучения диодами различных типов, с другой; высокой для некогерентного излучателя направленностью излучения; малыми значениями прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высоким быстродействием; малыми габаритами; технологической совместимостью с микроэлектронными устройствами; высокой надежностью и долговечностью. Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом , (47) где   – коэффициент инжекции;   – внутренний квантовый выход;   – оптическая эффективность или коэффициент вывода света. Произведение  определяет эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении   внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду, так как при выводе излучения из активной (излучающей) области диода имеют место следующие потери энергии:  1) потери на самопоглощение;  2) потери на полное внутреннее отражение;  3) потери на обратное и торцевое излучение. Эффективность вывода оптического излучения из диода характеризуется коэффициентом вывода   и определяется отношением мощности выходящего излучения к мощности излучения, генерируемого внутри кристалла: . (48) Таким образом, внешний квантовый выход   – это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции  , электролюминесценции   и вывода излучения   в создании оптического излучения. К характеристикам светоизлучающим диодам относят: ^ Излучательную характеристику. Она представляет собой зависимость параметров оптического излучения от прямого тока, протекающего через р-п-переход. Для ИК-диодов излучательную характеристику представляют в виде зависимость потока излучения   от прямого тока, протекающего через р-п-переход. Для светоизлучающих диодов излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света  , яркости от прямого тока  .  При малых токах прямых токах через СИД   велика доля безызлучательной рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции при этом мал. С ростом прямого тока световой поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе, протекающем через р-п-переход, не окажется преобладающей диффузионная составляющая тока. Дальнейшее увеличение   приводит к и насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе. Максимальная сила излучения зависит от площади излучающего р-п-перехода и от размеров электрических контактов. ^ Спектральную характеристику. Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения или от энергии излучаемых фотонов называется спектральной характеристикой излучающего диода. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Использование материалов для производства приборов с различной энергией запрещенной зоны позволяет управлять длиной волны излучения СИД. Так как переход электронов при рекомбинации носителей зарядов обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучающего диода характеризуют шириной спектра излучения  , измеряемой на высоте половины максимума характеристики. Излучение большинства излучающих диодов близко к квазимонохроматическому  и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.  К основным параметрам СИД относятся: длина волны излучения  ; доминирующая длина волны излучения  ; сила света  ; угол излучения  . Длина волны излучения   – это длина, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения СИД.  Глаз реагирует не только на интенсивность излучения, но и на цвет излучения. Поэтому при визуальной индикации излучение еще характеризую доминирующей длиной волны  . Этот параметр является количественной мерой цветного восприятия излучения человеческим глазом. Два СИД с различными спектральными характеристиками будут иметь одинаковый цвет свечения, если они имеют одинаковую  . Доминирующая длина волны   – это излучение такой длины волны, смешивание которого с излучением эталонного источника воспринимается глазом как цвет излучения СИД. Излучение эталонного источника эквивалентно дневному свету от облачного неба.  Количественно излучение СИД характеризуют силой излучения. Однако сила излучения зависит от направления излучения. Направленность излучения описывают диаграммой направленности или углом излучения  . В пределах угла излучения сила излучения составляет не менее половины ее максимального значения. С помощью диаграммы направленности и угла излучения можно определить зрительно воспринимаемый световой поток при взгляде под некоторым углом к геометрической оси излучателя. Паспортная диаграмма направленности позволяет определить значение силы света   при любом конкретном угле зрения.  К основным параметрам излучающего прибора относятся характеристики диода как элемента электрической цепи постоянного тока, определяемые его вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в энергии запрещенной зоны применяемых материалов. Чем выше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на излучающем диоде и потери электрической энергии в нем.  Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока. Время переключения складывается из времени включения   и выключения   излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезаряда барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода. Для светоизлучающих диодов (СИД) быстродействие оказывается второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза около 50 мс, что больше   СИД.  Важной особенностью излучающих диодов является присущая им деградация – постоянное уменьшение мощности излучения при длительном протекании через прибор прямого тока. Деградацию связывают с увеличением концентрации центров безызлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов. Также играет роль дезактивация части излучательных центров за счет их перехода из узлов кристаллической решетки в междоузелья. Снижение мощности излучения из-за деградации подчиняется экспоненциальному закону: , (49) где   исходная (начальная) мощность излучения;  постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации. Для большинства излучающих диодов  ч. Рассмотрим влияние температуры на параметры и характеристики СИД. С ростом температуры увеличивается длина волны излучения  , что связано с уменьшением ширина запрещенной зоны полупроводника. 

52 полупроводниковые выпрямители. Схемы и основные характеристики.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют полупроводниковые выпрямители.

В местах контакта между двумя полупроводниками с разным механизмом проводимости — дырочным и электронным — наблюдается ряд замечательных явлений. Оказывается, что место контакта таких полупроводников обладает весьма различной проводимостью в зависимости от того, будет ли электрическое поле направлено от p-полупроводника к n-полупроводнику или наоборот. Если, например, привести в соприкосновение закись меди (Cu2О), имеющую дырочную проводимость, и двуокись титана (TiO2), имеющую электронную проводимость, то при одном и том же напряжении ток в направлении от закиси меди к двуокиси титана будет в 10 000 раз сильнее, чем в обратном направлении. Чтобы понять причину этих явлений, нужно разобраться в процессах, происходящих на так называемых p — n-переходах, т. е. на границе соприкосновения дырочных и электронных полупроводников. В электронном проводнике основными носителями тока являются свободные электроны, число которых гораздо больше, чем число дырок. В дырочном проводнике, наоборот, число дырок гораздо больше, чем число свободных электронов. Когда мы приводим эти два вещества в соприкосновение, то электроны начинают диффундировать из n-полупроводника, где их концентрация выше, в p-полупроводник, где их имеется меньше, подобно тому как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый, если привести растворы в соприкосновение. Точно так же и по тем же причинам дырки будут диффундировать из дырочного полупроводника в электронный. В результате этого пограничный слой обоих полупроводников обедняется основными носителями, т. е. на границе создается так называемый запирающий слой, сопротивление которого значительно больше, чем сопротивление всей толщи обоих полупроводников. Фактически именно сопротивлением этого запирающего слоя и определяется сопротивление всего тела. Естественно возникает вопрос: до каких пор будет происходить уход дырок из p-полупроводника в n-полупроводник и уход электронов в обратном направлении? Ответить на этот вопрос нетрудно. Так как из дырочного полупроводника уходят положительные заряды, а притекают в него электроны, то вблизи границы этот полупроводник заряжается отрицательно. Точно так же пограничный слой электронного полупроводника заряжается положительно, так как сюда притекают дырки, а отсюда уходят электроны. Таким образом, вблизи границы возникает двойной электрический слой, в котором поле направлено от электронного полупроводника к дырочному, т. е. противодействует диффузии электронов и дырок (поле Е на Рис. 186. Возникновение запирающего слоя на границе n-полупроводника и p-полупроводника: Е — поле, препятствующее диффузии электронов и дырок рис. 186). Когда это поле достигнет такой напряженности, что его действие уравновесит стремление свободных электронов и дырок диффундировать в «чужие» области, будет достигнуто равновесие, и дальнейшая диффузия прекратится. Представим себе теперь, что мы присоединили пластинку к батарее так, что электронный проводник соединен с минусом батареи, а дырочный — с плюсом (рис. 187, а) Внешнее поле, которое сосредоточено преимущественно в запирающем слое, имеющем наибольшее сопротивление, будет направлено от дырочного полупроводника к электронному. Дырки и электроны будут двигаться к границе, навстречу друг другу, встречаясь, они могут рекомбинировать, а на то место будут приходить из электродов новые свободные электроны и дырки и т. д. Сопротивление слоя будет сравнительно невелико и ток в этом пропускном направлении будет большим. Если же мы присоединим плюс батареи к электронному проводнику, а минус к дырочному, то внешнее поле будет двигать электроны и дырки от границы в противоположные стороны (рис. 187, б), запирающий слой будет расширяться, и сопротивление тела резко возрастет. Рис. 187. Движение свободных электронов (кружки со знаком «—») и дырок (кружки со знаком «+») при прохождении тока через p — n-переход: а) пропускное включение; б) запирающее включение В настоящее время выяснилось, что именно этим механизмом обусловлено сильное выпрямляющее действие так называемых медно-закисных (купроксных) и селеновых выпрямителей, разработанных чисто эмпирическим путем, без ясного понимания происходящих в них физических процессов. Медно-закисный выпрямитель представляет собой медную пластинку, на которой при температуре свыше 1000 °С наращивается слой закиси меди (Cu2О); затем при температуре около 600 °С этот слой насыщается кислородом и быстро охлаждается. После этого растворяют кислотой образовавшийся на поверхности закиси слой окиси меди (CuO) и наносят на закись слой металлической меди. Если приготовленную таким образом пластинку включить в цепь батареи (рис. 188), то оказывается, что при таком направлении тока, когда он идет от закиси меди к медной пластинке, ток очень большой, т. е. сопротивление пластинки очень мало. Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. заставить ток идти от медной пластинки к закиси меди, то сила тока станет в тысячи раз меньше, в этом направлении пластинка имеет сопротивление в тысячи раз большее. Таким образом, пластинка представляет собой электрический вентиль, подобный двухэлектродной лампе (§ 106): она пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает его в обратном направлении. Причина явления заключается в том, что на основном медном электроде имеется слой закиси меди, содержащий примеси меди и других металлов; этот слой является электронным полупроводником. Но внешний слой закиси, обогащенный кислородом, является дырочным полупроводником. Таким образом, в толще закиси меди имеется p — n-переход, т. е. существует граница между полупроводниками p- и n-типа. Здесь и возникает запирающий слой, обусловливающий одностороннюю проводимость. Такими же свойствами обладает селеновый выпрямитель. Он представляет собой нанесенный на никелированную железную пластинку слой селена, поверх которого наносится второй электрод из сплава кадмия, олова и Рис. 188. Через медно-закисный выпрямитель проходит сильный ток при включении по схеме а) и очень слабый при включении по схеме б): 1 — закись меди, обогащенная кислородом, 2 — напыленная медь, 3 — закись меди, 4 — медь висмута. После длительного прогрева и пропускания тока такая система тоже приобретает свойство односторонней проводимости. В селеновых выпрямителях запирающий слой образуется также на границе между селеном (дырочным полупроводником) и селенистым кадмием, который возникает в процессе обработки пластин и имеет электронный механизм проводимости. В настоящее время широкое распространение в технике, особенно в радиотехнике, получили полупроводниковые выпрямители из германия, кремния и других полупроводников. Мы видели в предыдущем параграфе, что характер проводимости германия можно изменять, вводя в него небольшое число примесных атомов того или другого рода. Если, например, на одной из поверхностей германия с электронной проводимостью расплавить небольшой кусок индия, то тонкий поверхностный слой, в который проникнут на некоторую глубину атомы индия, станет дырочным полупроводником и в толще германия создастся p — n-переход, который будет иметь выпрямляющее свойство (одностороннюю проводимость). На рис. 189 показано устройство одного из типов таких германиевых выпрямителей, а на рис. 190 — его вольтамперная характеристика, т. е. кривая, изображающая зависимость силы тока через выпрямитель от приложенного к нему напряжения. Мы видим из этой Рис. 189. Германиевый выпрямитель: а) общий вид; б) сечение, 1— германиевая пластинка, 2—вольфрамовая пружинка с острием, 3 — керамический цилиндр, 4 — латунные держатели; в) условное изображение Рис. 190. Вольтамперная характеристика германиевого выпрямителя кривой, что в пропускном направлении ток равен 1 А уже при напряжении 0,75 В, т. е. сопротивление германия очень мало. В запирающем же направлении ток очень мал (около 0,05 мА) и практически не зависит от напряжения вплоть до напряжения около 400 В, когда наступает пробой. Из германия, кремния и других полупроводников с p—n-переходами в настоящее время изготовляют также и полупроводниковые усилители (транзисторы), которые заменяют трехэлектродную усилительную электронную лампу. Такие приборы во многих случаях имеют большие преимущества по сравнению с вакуумными электронными лампами, так как они обладают гораздо меньшими размерами, имеют значительно больший срок службы и требуют меньшей мощности питания, чем электронные лампы.

53 усилители на полупроводниковых триодах. Классификация, основные элементы схем.