2 Світлодіоди

Світлодіод (СД) – це біполярні напівпровідникові прилади з одним або кількома переходами, призначені для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.

СД – це такі прилади, в яких переважає випроміню­вальна рекомбінація над звичайною, невипрюмінювальною. Це рекомбінація в базі СД приводить до свічення, тобто виділення енергії у вигляді фотонів.

В СД застосовують матеріали з малоюймовірністю невипромінювальної рекомбінації – сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC і т. п. Свічення збуджується при напрузі ,– контактна різниця потенціалів, в інфрачерво­ному і видимому оптичному діапазоні на постійному або змінному струмі. Для збільшення ККД (зменшення відбиття світла) випроменювальна поверхня бази виготовляється у формі на півсфери (рис. 5.4).

Яскравість свічення (рис. 5.5) практично лінійно залежить від струму, що тече через СД.

Рисунок 5.4 Рисунок 5.5

Колір свічення залежить від матеріалу, з якого виготовлений прилад, тобто від ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо. При збільшенні ширини забороненої зони зменшується довжина хвилі випромінювання. Наприклад, сумішGaAs і GaP дає червоний колір, SiC – помаранчевий, суміш GaP та InP – жовто-зелений. Якщо , то випромінювання відбувається в оптичному діапазоні. Продукуються СД з регульованим кольором свічення [1].

СД застосовуються для виводу інформації в електронних пристроях, як індикатори різноманітного роду, як джерела свічення в оптронах. Небувалий поступ застосування СД – в сучасній побутовій техніці (ліхтарі, світильники, лампи тощо).

3 Біполярні фотоприймачі

Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. В них використовується внутрішній фотоефект: опромінені зв’язані електрони НП набувають додаткової енергії, необхідної для їх звільнення від ковалентного зв’язку. Відтак у НП з’являються додаткові пари «електрон-дірка», збільшуючи електропровідність.

До фотоприймачів належать фоторезистори, фотодіоди і фотоприймачі з внутрішнім підсиленням (фототранзистори, фототиристори).

Фотодіоди

У цих приладах під дією світла на – перехід у суміжних з переходом областях відбувається генерація пар «електрон-дірка» (рис. 5.6).

Фотодірки під дією дифузного електричного поля переходу переміщуються до області, а фотоелектрони – до -області. При цьому створюється фотоЕРС = (0,1 1) В, яка залежить від світлового потоку Ф (рис. 5.7.)

Рисунок 5.6 Рисунок 5.7

Ця фотоЕРС у зовнішньому колі викликає протікання фотострум , напрям якого збігається зі зворотним струмомp-n – переходу.

Загальний струм через перехід

, (5.1)

де – струм насичення;

– зовнішня напруга;

– фотострум.

Дія фотоЕРС на перехід фотодіоду еквівалентна до додаткового зворотного зміщення переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину .

Із сім’ї ВАХ фотодіода (рис. 5.8) випливає, що оскільки фотоЕРС і пряма напруга уникненні на зустріч, то при їх рівності струм через перехід.

Рисунок 5.8

За цієї умови з рівності (5.1) можна визначити фотоЕРС

=. (5.2)

Цю фотоЕРС можна знайти з графіків ВАХ рисунок 5.8.

Фотодіоди застосовуються у двох режимах.

1. Режим вентильного фотоелемента (рис. 5.9)

Рисунок 5.9

Застосовується, наприклад, у сонячній батареї. Робоча точка перебуває на від’ємній напівосі струмі в ВАХ і пересувається вгору-вниз в залежності від потоку .

2. Фотодіодний режим (рис. 5.10).

Рисунок 5.10

Прилад працює на зворотній гілці ВАХ (робочій ділянці) як світлочутливий фоторезистор. Робоча точка в залежності від потоку і напруги може перебувати в будь-якому місці 3-го квадранту площини ВАХ.

Фотострум фотодіоду

, (5.3)

де  «темновий» струм;

інтегральна світлочутливість.