2.3. Определение и оценка параметров светодиодов

Параметры светодиодов как элементов цепей постоянного тока определяются их вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов. Чем меньше длина волн излучения, тем больше прямое падение напряжения на светодиоде и потери электрической энергии в нем (Рисунок 4). Обратные ветви ВАХ имеют малое допустимое обратное напряжение, так как ширина р-n-перехода в СИД невелика. При работе в схемах с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный диод.

Основные параметры диодов зависят от температуры. Зависимость яркости (силы света) от температуры практически линейная. С увеличением температуры яркость (сила света) уменьшается. В интервале рабочих температур яркость может изменяться в два-три раза.

Рисунок 4 – Вольт-амперные характеристики диодов

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10 нс после подачи импульса прямого тока. Однако для устройств отображения, в которых обычно используются СИД, быстродействие не является критичным. Поэтому для серийных светодиодов временные параметры не приводятся.

Светодиоды широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре в устройствах индикации: включения, готовности и работе, наличия напряжения, аварийной ситуации, достижения температурного порога, выполнения функционального задания.

Светодиоды излучают свет видимого спектра, когда через них протекает электрический ток. Приборы в металлическом корпусе со стеклянной линзой обеспечивают направленное излучение света, а изготовленные в пластмассовых корпусах, выполненных из оптически прозрачного компаунда, создают рассеянное излучение.

Хотя цвет (длина волны) излучения определяется использованным материалом, количество света, испускаемого светодиодом, зависит от тока возбуждения и быстро увеличивается с ростом плотности тока.

Положение точки перегиба любой из кривых на рисунке 5 непосредственно связано с шириной запрещенной зоны и для красных светодиодов соответствует меньшему прямому падению напряжения. Согласно рисунку 5 динамическое сопротивление красных светодиодов равно (1...2) Ом, в то время как для материалов, дающих более коротковолновое излучение, оно составляет (7...15) Ом.

По мере роста плотности тока через p-n-переход большее число электронов и дырок инжектируется в запрещенную зону. При их движении возникают вторичные эффекты, повышающие число дырок и электронов, которые могут излучательно рекомбинировать. В результате световая эффективность СИД увеличивается. Следует отметить, что красные GaP-светодиоды начинают излучать при малых плотностях тока, однако их излучение достигает насыщения при относительно низких плотностях тока по сравнению со светодиодами из других материалов.

1 – красный СИД; 2 – оранжевый СИД; 3 – желтый СИД; 4 – зеленый СИД

Рисунок 5 – Зависимость тока I_пр от напряжения U_пр

3. Фотодиоды

Фотодиод — это фотоприемник, представляющий собой полупроводниковый диод, сконструированный и оптимизированный так, что его активная структура оказывается способной эффективно воспринимать оптическое излучение. Практически для этого корпус фотодиода имеет специальное прозрачное окно, за которым располагается фоточувствительная площадка полупроводникового кристалла. Принимаются также меры по устранению с этой площадки затеняющих элементов (непрозрачных металлических электродов), сводятся до минимума толщины вспомогательных слоев полупроводника, ослабляющих фотоэффект, на фоточувствительную поверхность наносятся специальные антиотражающие покрытия и т. п.

Активная структура фотодиода представляет собой монокристалл полупроводника, содержащий переход, контакт и барьер, в области которого имеется скачок потенциала. На рисунке 6 представлена фоточувствительная p⁺-i(v)-n⁺-структура, где i-область (или, точнее, v-, т. е. очень слабо легированная n-область) есть база фотодиода, p⁺-i-переход создает упомянутый скачок потенциала, а i-n⁺-переход представляет собой тыловой омический контакт; полярность прикладываемого к электродам внешнего напряжения соответствует нормальному включению фотодиода (обратное напряжение обычного диода).

Штриховая линия – граница области объемного заряда

Рисунок 6 – Активная структура кремниевого p-i-n-фотодиода

Падающее на прозрачное окно фотодиода излучение с незначительными потерями достигает i-базы, в которой и поглощается с одновременной генерацией носителей заряда. При этом возможно доминирование одного из двух явлений: ионизации атомов самого полупроводника (межзонные переходы) или специально введенных в него примесей. В этой связи говорят о фотодиодах (или шире фотоприемниках), основанных на собственном или примесном фотоэффекте. Следует отметить, что интенсивность проявления примесного фотоэффекта неизмеримо меньше, чем собственного. Это обусловлено тем, что доля примесных атомов по отношению к атомам собственно полупроводника никогда не превышает 10^-3…10^-4 и практически лежит в интервале 10^-6…10^-8. Поэтому примесный фотоэффект используется в оптоэлектронике лишь в исключительных случаях, когда не удается использовать подходящий материал с собственной фотопроводимостью и когда допустимо снижение фоточувствительности. Практически примесный фотоэффект используется лишь в приборах ИК-видения; основная тенденция их развития также связана с поиском возможностей перехода на собственный фотоэффект.

Генерация фотоносителей в базе приводит к нарушению концентрационного равновесия — начинается их перемещение, дырок влево (Рисунок 6), электронов вправо. Это перемещение осуществляется благодаря механизму диффузии или если в базе имеется электрическое поле, что типично для p-i-n-структур, вследствие дрейфа. Роль p⁺-i-перехода, представляющего потенциальный барьер, удерживающий дырки в p⁺-области, а электроны в i-области, состоит в разделении генерированных электронов и дырок, что влечет за собой изменение разности потенциалов между p⁺- и i-областями, т. е имеет место фотовольтаическяй эффект. Во внешней электрической цепи это проявляется двояко: при малых приложенных напряжениях (условно U_фд=0) фотодиод сам генерирует некоторую ЭДС; при значительных внешних смещениях перемещение фотоносителей ведет к появлению фототока I_ф, добавочного к темновому току I_т, протекающему через p⁺-i-n-структуру без воздействия излучения.

Добавление фототока к основному осуществляется алгебраически, т. е. со знаком «+» или «-»; оно может быть заметно, если собственный ток фотодиода мал, т. е. при обратном смещении. Сказанное объясняет вид семейства вольт-амперных характеристик фотодиода (Рисунок 7): I квадрант — протекание тока, равного I_ф+I_т ≈I_ф (фотодиодный режим), воздействие излучения существенно; II — фотодиод выступает как источник напряжения (фотовентильный режим); III — вычитание фототока из прямого тока диода I_пр, заметное лишь при малых значениях I_пр. В оптоэлектронике применяется фотодиодный режим работы, так как именно при этом достигается высокое быстродействие; фотовентильный режим используется крайне редко, если не считать специальных случаев (в основном солнечные фотопреобразователи).

Рисунок 7 – Семейство вольт-амперных характеристик кремниевого p-i-n-фотодиода

3.1. Параметры и характеристики фотодиодов

К основным параметрам фотодиода, достаточно полно описывающим его как приемник оптических сигналов и как элемент электрической цепи, относятся:

1. Монохроматическая чувствительность s_ф, А/Вт, равная отношению фототока к полной мощности излучения с длиной волны λ, падающей на чувствительную площадку фотодиода:

2. Темновой ток I_т, равный току утечки фотодиода при полном затемнении и при заданном обратном напряжении.

3. Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.макс.доп}, характеризующее предельные возможности фотодиода при включении в электрическую цепь.

4. Время нарастания (спада) t_нр(сп) фототока, определяемое по фронту (срезу) фотоответа (обычно по уровням 0,1 и 0,9 амплитуды импульса фототока) при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения.

5. Граничная частота f_гр, определяемая при изменении частоты модуляции оптического излучения по спаду чувствительности s_ф до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении.

6. Емкость фотодиода C_фд, равная сумме зарядной емкости активной структуры и паразитной емкости корпуса; во многих режимах работы именно параметр C_фд, а не t_нр(сп) — определяет инерционность прибора.

7. Площадь фоточувствительной площадки А.

Основными характеристиками фотодиода являются вольт-амперная (ВАХ), спектральная и энергетическая характеристики.

ВАХ — зависимость напряжения на выходе фотодиода от выходного тока (фототока) при заданном потоке излучения. Спектральная характеристика — зависимость чувствительности фотодиода от длины волны падающего на фотодиод монохроматического излучения. Энергетическая характеристика выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотодиод. Энергетическая характеристика описывается, как правило, степенной функцией вида:

Показатель степени n характеризует линейность энергетической характеристики. При n≈1 характеристика линейна; область значений Ф (от Ф_min до Ф_max), в которой это условие выполняется, определяет динамический диапазон ∆Ф линейности фотоприемника. Динамический диапазон выражается в децибелах:

Длинноволновая граница спектра λ_гр определяет максимальную длину волны падающего на фотодиод излучения; коротковолновая граница λ_к обусловлена возрастанием поглощения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.