Светоизлучающие диоды (СИД), или светодиоды

 

Рис. 7.9 УГО

 

Светодиод - излучающий полупроводниковый прибор с одним электрон­но-дырочным переходом, предназначенный для непосредственного преобразо­вания электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

СИД - универсальный излучатель в оптоэлектронике. Он используется в качестве индикатора включения блоков, для визуального отображения появле­ния высоких потенциалов на выходах ИМС, является элементом цифровых и цифробуквенных мозаичных индикаторов и т.п.

Устройство СИД отличается от обычного диода, в принципе, только наличием линзы, как правило, пластмассовой.

 

Рис. 7.10 Устройство светодиода

 

В качестве полупроводника используется карбид кремния (SiC), арсенид гал­лия (GaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид галлия (GaP) и др.

 

 

Рис. 7.11 Схема включения светодиода

 

При подаче на p-n переход прямого напряже­ния наблюдается интенсивная инжекция неос­новных носителей заряда: электронов в р-область и дырок в n-область.

Инжектирован­ные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в данной области полупроводника.

При рекомбинации выделяется энергия. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер - энергия, выделяющаяся при реком­бинации, отдается кристаллической решетке, фононам, т.е. превращается в конечном ито­ге в тепло.

 

У полупроводников, выполненных на основе вышеперечис­ленных материалов, рекомбинация является излучательной- энергия при ре­комбинации выделяется в виде квантов излучения - фотонов. Поэтому у таких полупроводников прохождение через p-n переход тока в прямом направлении сопровождается некогерентным оптическим излучением определенного спек­трального состава.

 

Светодиод, как элемент электрической схемы, характеризуется ВАХ.

Ход ВАХ светодиода не отличается от ВАХ обычного диода.

 

Светодиод, как излучатель, характеризуют:

1. Излучательной (яркостной) характеристикой - зависимостью яркости от тока

 

В = f(I_пр),

где В - яркость свечения [кд/м² ];

 

2. Мощностной характеристикой - зависимостью мощности излучения от тока;

3. Спектральной характеристикой - зависимостью относительной спектральной плотности мощности от длины волны излучения.

 

 

Рис. 7.12 Излучательная и мощностная характеристики светодиода

 

 

Рис. 7.13 Спектральная характеристика светодиода P= S_l(w)dw. w=2p/l

 

Спектральные характеристики имеют выраженный макси­мум на некоторой длине волны l_mах. Величина l_mах определяет цвет излуче­ния, зависит от материала полупроводника диода и составляет 1,7 мкмдля SiC; 0,9 мкм - GaAs.

 

При необходимости, можно выбрать светодиод со спектральной характеристикой, близкой к кривой относительной видимости глаза.

 

Электрические параметры светодиода:

1. Максимальный и номинальный прямой ток I_{пр max}, I_{пр ном} (диапазон лежит до 50ma, у СИД малой мощности);

2. Номинальное прямое напряжение U_{пр ном} ;

3. Максимальное обратное напряжение U_{обр max} (4-12 В);

4. Допустимая рассеиваемая мощность Р_{расс max} [мВт];

5. Диапазон рабочих температур - 60°-+70°С.

Фотодиод

 

Рис. 7.14 УГО

 

Фотодиодпредставляет собой полупроводниковый прибор, обратный ток которого зависит от освещенности р-n перехода.

 

Устройство фотодиода:p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон.

 

Рис. 7.15 Устройство фотодиода

 

Рис. 7.16 Схема включения фотодиода - фотодиодный режим

 

!! E_вн совпадает по направлению с E_дифф

 

Напряжение источника питания приложено к фотодиоду в обратном направле­нии.

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный (темновой) ток не­большой величины (10-20 мкА для Ge и l-2 мкА для Si) неосновных носителей.

При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей заряда: электронов из р-области и дырок из n-области. Это при­водит к увеличению обратного тока и падению напряжения нарезисторе R_H.

Т.о. происходит преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал.

Режим, при котором фотодиод включается в схему с внешним источником питания, называют фотодиодными режимом,т.е. при таком режиме фотодиод - управляемое светом сопротивление.

Фотодиод может включаться без внешнего источнщса питания (рис. 7.17) = это т.н. преобразовательный (фотогенераторный) режим.

Под действием света в р-n переходе происходит генерация пар носителей заряда (электронов и дырок).

Накопление основ­ных носителей в областях р и n приводит к возникновению фото-ЭДС (e_фд).

При увеличении облучения генерация пар носителей растет и увеличивается величина фото - ЭДС, до тех пор, пока она не уравновесит внутреннее диффузионное поле р-n перехода.

Чем больше ширина запрещенной зоны и чем больше концентрация примесей в областях, тем больше фото -ЭДС.

 

Рис. 7.17 Фотогенераторный режим

 

!! E_фд противоположно по направлению с E_дифф

 

Характеристики фотодиода

 

Основными характеристиками фотодидов являются ВАХ, световая и спек­тральная.

1. ВАХ, определяет зависимость тока фото­диода от напряжения на нем при постоян­ной величине светового потока.

При полном затемнении (Ф_о= 0) через фо­тодиод протекает темновой ток 1_Т.

Рабочая часть ха­рактеристик при работе в фотодиодном ре­жиме лежит в третьем квадранте.

Рис. 7.18ВАХ фотодиода

 

Характерной особенностью рабочей области ВАХ (обратной ветви) является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения.

Такой режим наступает при и_обр порядка 1B.

 

Линейная зависимость фототока от освещенно­сти является достоинством фотодиода.

 

2. Световая характеристика, показывает зависимость тока фотодиода от вели­чины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной. При изменении температуры световая харак­теристика смещается параллельно начальному положению.

 

3. Спектральная характеристика, показывает зависимость спектральной чувст­вительности от длины волны падающего на фотодиод света.

 

Рис. 7.19 Световая характеристика и спектральная характеристика

I_ф= I_ф(w)dw, w=2p/l