7.7 Фотодиоды.
Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к р-п-переходу.
В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током.
При воздействии света в области р-п-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в п- и р-областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина р-п-перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока.
На рис. 3.18, б приведены вольт-амперные характеристики фотодиода
Фототок, возникающий в диоде под действием света, пропорционален величине светового потока:
Здесь
—
интегральная чувствительность,
характеризующая величину фототока,
возникающего при облучении фотодиода
потоком белого света яркостью в 1 лм.
Направление
фототока совпадает с направлением
теплового тока, то есть отрицательное.
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогальваническом.
В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изменяются ток в цепи и напряжение на диоде.
В фотогальваническом
режиме
внешний
источник напряжения в цепи отсутствует.
Режим работы определяется также по
пересечению нагрузочной линии с
соответствующей вольт-амперной
характеристикой. В данном случае она
проходит через начало координат. При
(короткое замыкание) нагрузочная линя
совпадает с осью ординат, а при
(обрыв
цепи) она совпадает с осью абсцисс. По
точкам пересечения вольт-амперных
характеристик с осью напряжения можно
определить фото-ЭДС при разных световых
потоках. У кремниевых фотодиодов она
составляет около 0,5-0,55 В.
Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют полупроводниковыми фотоэлементами. Их используют для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Оптимальным режимом для фотоэлементов является такой режим, когда в нагрузку передается наибольшая мощность. Такая мощность получается при условии, что площадь прямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются вольт-амперная характеристика и нагрузочная линия, оказывается наибольшей. В этом случае напряжение на нагрузке составляет 0,35-0,4 В, а плотность тока — 15-20 мА/см2 при средней освещенности солнечным светом.
7.8 Светоизлучающие диоды.
Светоизлучающими диодами (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
Они работают при прямом напряжении, в них при рекомбинации выделяется энергия в виде квантов электромагнитной энергии, равных ширине запрещенной зоны.
Для получения видимого излучения нужны полупроводники с широкой запрещенной зоной (более 1,8 эВ). Поэтому для изготовления светодиодов используют такие полупроводниковые соединения, как фосфид галлия (дает красное свечение), карбид кремния (желтое свечение) и ряд других.
Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
Светодиоды имеют следующие отличия:
Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL).
Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).
Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.
Малая инерционность.
Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.
Низкая стоимость.
Безопасность — не требуются высокие напряжения.
Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.
Применение светодиода:
В уличном, промышленном, бытовом освещении.
В качестве индикаторов, в виде одиночных светодиодов (например индикатор включения на панели прибора) так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например цифры на часах)
Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют кластерами светодиодов, светодиодными кластерами, или просто кластерами.
В оптопарах
Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны)
В подсветке ЖК экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
В играх, игрушках, значках, USB-устройствах, и других гаджетах.
В светодиодных дорожных знаках
Светоизлучающие диоды применяют в качестве индикаторов. Широкое применение находят буквенно-цифровые индикаторы в виде матриц, содержащих несколько светодиодных структур, расположенных так, что при соответствующей комбинации светящихся элементов получается изображение цифр или букв.