Приложение 1 Индикаторы на светоизлучающих диодах
Светоизлучающие диоды (СИД или Light – Emitting Diodes, LEDs) в современной МЭА являются самыми массовыми по численности и сферам применения. Это самые миниатюрные источники света, они не требуют вакуумирования в стеклянную колбу, совместимы с интегральными схемами по уровню питающих напряжений. Кроме того, они не боятся вибрации, ударных нагрузок, изготавливаются стандартными методами эпитаксии и диффузии, излучают яркий свет в видимой области спектра. Разработаны светодиоды почти на все цвета спектра: красные, зелёные, жёлтые, оранжевые. К недостаткам СИД можно отнести дефицитность исходных материалов и повышенное потребление энергии по сравнению с ЖКИ. СИД широко применяются в портативных и стационарных измерительных приборах, калькуляторах, электронных часах и др.
Физические основы работы сид
В основе принципа работы СИД заложено явление излучательной рекомбинации, то есть излучение света при прохождении прямого тока через p-n переход. Рассмотрим это явление в простом p-n переходе (рис.11).
Рис.11. Механизм излучательной рекомбинации: а – материалы p- и n- типа изолированы друг от друга; б – области p и n созданы в едином монокристалле; в – к p-n приложено прямое напряжение, ∆E – ширина запрещённой зоны, Ef – уровень Ферми, hν – энергия кванта.
В исходном состоянии два участка p- и n- типа одного и того же полупроводникового материала изолированы друг от друга (рис.11а). При плотном соприкосновении этих участков, а лучше при изготовлении их в едином монокристалле уровни Ферми выравниваются, а зонная диаграмма в переходной области становится ступенчатой (рис.11б). При приложении к p-n переходу прямого напряжения высота ступеньки уменьшается и носители заряда (электроны) инжектируются в p- область. Здесь они, являясь неосновными носителями, рекомбинируют с дырками. При этом высвобождается энергия в виде кванта излучения (фотона), равная ширине запрещённой зоны, то есть hν ≈ ∆E.
СИД могут быть точечными либо матричными.
Конструкция точечных излучателей содержит собственно излучающий кристалл, выводы и линзу, фокусирующую свет. Материал и конфигурация линзы специально рассчитывается так, чтобы обеспечить максимальный выход света из кристалла, исключить многократные внутренние отражения. С этой же целью поверхность линзы покрывают специальным просветляющим покрытием.
Матричные индикаторы представляют собой набор единичных индикаторов, позволяющих высвечивать различные символы. Для высвечивания цифр чаще всего используют семисегментный индикатор (рис.12).
Рис.12. Конструкция семисегментного цифрового индикатора с точечными светодиодами и зеркальными рефлекторами: 1 – светодиод, 2 – зеркальный рефлектор.
Наиболее известный полупроводниковый материал – кремний – для СИД не годится. Повсеместно используют полупроводниковые соединения материалов третьей и пятой групп периодической системы Менделеева. (AIII: B; Al; Ga; In; Tl. ВV: N; P; As; Sb; Bi).
Возможны двойные и тройные соединения с разным процентным составом.
Основные материалы для изготовления СИД:
1) арсенид-фосфит галлия GaAsP. Для него характерно отсутствие насыщения при высоких плотностях токов, что важно при работе в импульсном режиме.
2) фосфит галлия GaP. Специальная технология позволяет получать разные цвета свечения (зелёный, красный, синий).
3) карбид кремния SiC даёт свечение жёлтого цвета, но не обеспечивает высокую яркость. В последние годы перспективным считается использование светодиодов инфракрасного излучения, на которые наносят люминофор для преобразования в видимое излучение нужного цвета.
Отечественная промышленность серийно выпускает точечные светодиоды:
АЛ 102 – красный и зелёный цвет повышенной яркости;
КЛ 101 – жёлтый;
ЗЛ 102 – красный сверхминиатюрный;
АЛ 301 – красный;
ЛЛ307 – красный, зелёный высокой яркости и светодиодные знаковые матрицы;
АЛ 306 – красный повышенной яркости;
КЛ 104 – жёлтый сверхминиатюрный.