35.14. Фотодиод

При освещенииперехода фотонами с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, как вобласти, так и вобласти электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара носителей: электрон проводимости и дырка. Под действием электрического поля запирающего слоя дырки, как это показано на зонной диаграмме рис. 35.34 движутся изобласти вобласть (они как бы всплывают подобно воздушным пузырькам в воде), а электроны – изобласти вобласть (они как бы скатываются по потенциальному склону). Впереходе возникает ЭДС. Если теперь киобластям подключить внешнюю электрическую цепь, то в такой замкнутой цепи возникнет электрический ток. Таким образом,переход преобразует световую энергию в электрическую.

Прибор, в котором используется это явление, называется фотодиодом. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). На рис. 35.35 показано строение (а) фотодиода и схемы его включения в режиме фотогенератора (б) и фотопреобразователя (в). Как видим, в режиме фотопреобразователя напряжение источника питания прикладывается к фотодиоду в обратном направлении. Свет падает на тонкий слой области, фотодиод подключается к внешней цепи с сопротивлением нагрузкис помощью проводящих контактов 1 и 2. Контакт 1 представляет собой тончайшую, практически прозрачную пленку золота.

В режиме фотопреобразователя фотодиоды применяются для контроля источников света, измерения интенсивности освещения и др. Кремниевые фотодиоды в режиме фотогенератора дают ЕДС около 0,5 В при КПД около 15%. Фотодиоды в виде солнечных батарей используются на космических аппаратах, для питания калькуляторов и т. д.

35.15. Светодиод

Светодиоды – это излучающие полупроводниковые приборы с одним переходом, преобразующие электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Принцип действия светодиода состоит в том, что в некоторых полупроводниках при рекомбинации пары электрон–дырка впереходе испускается фотон. Рекомбинация не всегда сопровождается излучением. Так, в германиевыхпереходах электрическая энергия почти полностью превращается в тепловую, т. е. происходит рекомбинация без излучения.

Светодиоды изготовляются из двойных и тройных полупроводниковых соединений. Диоды красного, желтого и зеленого свечения изготовляют на основе фосфида галлия, фиолетового свечения – на основе карбида кремния и т. д. Рекомбинация и излучение наблюдаются, если переход включен в прямом направлении (см. рис. 35.36).

Светодиод имеет малые габариты и массу, низкое потребление мощности, высокую стабильность и большой срок службы. Инерционность светодиодов мала, она составляет 10…100 нс. Светодиодам можно придать различную форму, а также размещать их на одном кристалле в виде черточек – сегментов. В этом случае, подавая питание на те или иные сегменты, можно получить любую цифру или букву. Такие светодиоды широко используются в световых табло, в калькуляторах для выведения цифровой и буквенной информации. КПД светодиодов может достигать нескольких процентов.