9.9. Светодиоды

Полупроводниковыми светодиодами называют приборы с р — п- переходом, излучающие свет при прохождении через них прямого тока. Эти приборы находят широкое применение в аппаратуре связи, вы­числительной технике, в световых информационных устройствах, индикаторах и т. д.

Создание и практическое применение светодиодов способствовали становлению и развитию еще одного перспективного направления электроники — оптоэлектроники, изучающей процессы непосредствен­ного преобразования электрической энергии в световую и световой энергии в электрическую.

Как было показано выше (см. параграф 7.3), при подаче иа р — п- переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция

неосновных носителей заряда: электронов в р-область и дырок в п- область. Инжектированные неосновные носители рекомбинируюг с основными носителями данной области полупроводника и их кон­центрация быстро падает по мере удаления от р — я-перехода вглубь полупроводника. При встрече электрона и дырки их заряды компен­сируются и данные носители заряда исчезают. Поэтому при рекомби­нации выделяется энергия. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательиый характер — энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается кристаллической решетке, т. е. превращается в конечном итоге в тепло. Однако у полупровод­ников, выполненных на основе карбида кремння (БЮ), галлия (Оа), мышьяка (Аэ) и некоторых дру­гих материалов, рекомбинация является излуча- тельной — энергия рекомбинации выделяется в виде квантов излучения — фотонов.

Поэтому у таких полупроводников прохождение через р — я-переход тока в прямом направлении сопровождается некогерентным оптическим излуче­нием определенного спектрального состава. Это явление используется для создания светодиодов, которые иногда называют также люминесцентными диодами.

В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника и особенностей рекомбинации но­сителей заряда излучение может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Наибольшее распространение получили светодноды, излучающие желтый, красный н зеленый свет. Созданы также образцы светодиодов с перестраиваемым цветом све­чения.

Конструкция типичного светодиода, используемого в качестве ис­точника излучения, показана на рис. 9.25. Кристалл полупроводни­ка с соответствующими выводами помещают в коваровый или кера­мический баллон, верхняя часть которого заканчивается стеклянной (или из эпоксидной смолы) линзой. С помощью линзы излучение при­обретает заданную направленность.

Свойства и эффективность работы светодиодов характеризуются совокупностью электрических, световых и эксплуатационных пара­метров. Важнейшие из них:

постоянное прямое напряжение £/_пр при максимально допустимом токе;

максимально допустимый прямой ток /_1]ртак;

яркость свечения В диода при максимально допустимом прямом токе;

полная мощность излучения Р_ПОлн при прямом постоянном токе определенной величины;

ширина диаграммы направленности светового излучения.

Рис. 9.25. Устрой­ство светодиода:

/ — линза; 2 — ко­варовый баллон; 3 — полупроводниковая пластина с р— п-пе­реходом; 4 — ножка; 5 — выводы.

Величина £/_пр для большинства светодиодов не превышает несколь­ких вольт; /_пртах имеет величину порядка единиц — десятков мил­лиампер; яркость свечения В — десятки кандел на квадратный метр;

Лтолн — доли милливатта; масса прибора ие превышает нескольких долей грамма; температурный диапазон от — 60° С до +70° С.

Важнейшие характеристики светодиодов — спектральная и ха­рактеристика направленности. Первая из иих представляет собой

Р

зависимость относительной мощности излучения -р от длины излу-

*полн

чаемой волиы при определенной температуре среды. Вторая опреде­ляет величину интенсивности светового излучения в зависимости от направления излучения.

тика (б), характеристика направленности (в).

На рис. 9.26 показаны габаритные размеры, спектральная харак­теристика и характеристика направленности светового излучения све­тодиодов типа АЛ301 (А, Б).

Современные светодиоды с успехом используются в качестве циф­ровых индикаторов, вытесняя аналогичные ионные приборы. Твер­дотельные цифровые индикаторы представляют собой комбинацию определенного числа светодиодов с общнм анодом. Светодиоды распо­ложены таким образом, что при подаче напряжения на соответствую­щие выводы высвечиваются цифры от 0 до 9. Один индикатор, содер­жащий семь диодов прямоугольной формы, способен высвечивать все цифры и некоторые буквы. Индикатор, содержащий шестнадцать дио­дов, позволяет воспроизводить практически неограниченное число знаков.

Габариты и цоколевка типичного светодиодного цифрового инди­катора (КЛ104) показаны на рис. 9.27. Индикатор оформлен в метал­лическом корпусе, снабженном девятью штыревыми иожками доя подключения питающих напряжений. Масса прибора — не более 7 г. Максимальный угол (относительно оптической оси), при котором воз­можно неискаженное считывание показаний индикатора, равен 60 Цвет свечения — желтый. Недостатком прибора является значитель­

иый разброс параметров в зависимости от температуры окружающей среды.

Одним из наиболее перспективных является светодиод с перестра­иваемым цветом свечения. Изменение цвета достигнуто благодаря фор­мированию в одном приборе двух р — я-переходов, один из которых позволяет получить зеленое свечение, а второй — красное. При одно­временном возбуждении обоих переходов излучается желтый свет. Регулируя по величине токи через переходы, можно изменять цвет

016 Линза

Рис. 9.27; Габариты и цоколевка светодиодного цифрового индикатора.

свечеиия от зеленовато-жел- того до красновато-желтого.

(й)

и ^

Рис. 9.28. Оптроны:

а — диодный; б — резистор-

НЬ1Й .

С помощью подобных светодиодов можно заменить кинескопы теле­визоров достаточно большими плоскими экранами, предназначенными для получения цветных изображений.

Сочетание светодиода с фотоприемииком (фоторезистором, фото­диодом и др.) позволяет создать новый класс приборов, называемых оптрояами. Условные графические изображения диодного и резис­тор ного оптронов показаны иа рис. 9.28.

Элементарный оптрон, состоящий из оптронной пары — управля­емого источника света и фотодвухполюсника, является структурным элементом цепей оптоэлектроники. На них могут быть собраны оп- тоэлектронные схемы разной сложности и разного назначения [39], Разветвленные оптические связи в схемах и устройствах оптоэлектро- ники осуществляются с помощью световодов, выполняющих ту же роль, что и провода в обычных электронных схемах. Световоды от­носятся к элементам волоконной оптики. Световолокно — это стек­лянная или пластмассовая (органическая) нить. Вдоль нее и распро­страняется световой поток многократным полным внутренним отра­жением от стеиок световода. Диаметр таких световодов составляет единицы микрометра. Отдельные волокна собирают в жгуты, а также стержии заданного сечения и конфигурации. С их помощью осуществ­ляют коммутацию оптоэлектронных цепей [8,19].

Контрольные вопросы и упражнения

1. Пользуясь справочником [16], расшифруйте обозначения следующих полу­проводниковых диодов:

2С447А, 2Д910В, АЛ102Г, 1И403А, 2В104Г, ГА501 Ж, ГД507А, АИ201И, ЗИ201Л, КС53Ш, КЦ403Г, Д226Е, КС680А, КД503Б, 2А202А,

20