Dioda Zenera[edytuj]

Symbol diody Zenera (A – anoda, K – katoda).

Diody Zenera

Charakterystyka diody Zenera (Napięcie przebicia 17,1 V)

Dioda Zenera (inaczej: stabilistor) – odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 5 V) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, w zakresie od 5 do 7 V zjawisko Zenera i przebicie lawinowe, a powyżej 7 V – wyłącznie przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną)]

Różnica pomiędzy zwykłą diodą[edytuj | edytuj kod]

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda półprzewodnikowa. Cechami, które pozwalają wydzielić diody Zenera jako oddzielną kategorię elementów, są:

• przebicie niepowodujące uszkodzenia diody,

• napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest, aby nie było mniejsze od zadanej wartości),

• mała oporność dynamiczna,

• zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce I = f(U)).

Podstawowe zastosowanie diody Zenera to źródło napięcia odniesienia w stabilizatorach, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięć oraz jako element zabezpieczający i przeciwprzepięciowy (transil).

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca (ang. light-emitting diode, LED) – dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

Spis treści

  [ukryj] 

• 1 Wynalezienie diody

• 2 Działanie

• 3 Parametry diod elektroluminescencyjnych (LED)

• 4 Odmiany i zastosowania LED

• 5 Przypisy

• 6 Zobacz też

• 7 Linki zewnętrzne

Wynalezienie diody[edytuj | edytuj kod]

Do produkcji weszła w latach sześćdziesiątych w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę.

Możliwe jest, że została wynaleziona już wcześniej, w latach 20. XX wieku. Radziecki technik radiowy Oleg Łosiew zauważył, że diody ostrzowe używane w odbiornikach radiowych emitująświatło, w latach 1927-30 opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych^[1].

Działanie[edytuj | edytuj kod]

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdyelektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudopęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek galu (GaAs) i między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa – jest to parametr określający udział przejść rekombinacyjnych, w wyniku których generowane są fotony do ilości nośników ładunkuprzechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n, przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza).

przy czym:

• N_fot – całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego;

• N_nośo – całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza;

• P_prom – moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika;

• h – stała Plancka;

• v – częstotliwość generowanego promieniowania;

• I – prąd elektryczny doprowadzony do diody;

• e – ładunek elektronu.

W krzemie i germanie dominują przejścia skośne.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnychdługości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne.Długość fali generowanego promieniowania:

przy czym:

• W_g = W_c – W_v – szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,

• h – stała Plancka,

• c – prędkość światła.

Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej n_qz/n_nw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa n_qw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.

Na rysunku a) przekrój diody elektroluminescencyjnej płaskiej, a na rysunku b) półsferycznej. Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne

przy czym n* jest współczynnikiem załamania.

Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji exp[-a(l)x], gdzie a(l) jest współczynnikiem absorpcji dla danej długości fali, x zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz.

Całkowitą sprawność zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku omawianej diody płaskiej określa zależność:

przy czym:

• P – moc wejściowa elektryczna;

• 4n*/(n*+1)² – współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza;

• f(l) – strumień fotonów;

• R – współczynnik odbicia od kontaktu tylnego;

• α_n, α_p – współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody;

• x_n , x_p – grubość obszaru n lub p diody.

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.

Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski do 950 nm – bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, arseno-fosforek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego; są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.

Nazwa	Materiał	Barwa
arsenek galu	GaAs	podczerwień
fosforek galu	GaP	czerwona, zielona, żółta
fosforo-arsenek galu	GaAs1-xPx	czerwona, pomarańczowa, żółta
galo-arsenek glinu	AlxGa1-xAs	czerwona, podczerwień
azotek galu	GaN	niebieska, biała (gdy dioda jest pokryta luminoforem, który wzbudzany przez niebieskie światło diody z azotku galu świeci przykładowo na żółto, co w efekcie daje barwę białą z widocznym lekkim niebieskim odcieniem)

Średni prąd przewodzenia I_F nie powinien przekraczać 20 – 1500 mA, zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego szeregowo z diodą lub stabilizatora prądu. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania diody. Zalety diod elektroluminescencyjnych:

• mały pobór prądu

• mała wartość napięcia zasilającego

• duża sprawność

• małe straty energii

• małe rozmiary

• duża trwałość

• duża wartość luminacji