Полупроводниковые источники излучения. Светоизлучающие диоды. Оптопары

Светодиод

Одним из наиболее распространенных источников оптического излучения является светодиод- полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения, при смещении p-n-перехода в прямом направлении. Условное обазначение на рис. 7.7

При приложении прямого напряжения U_ВН к p-n-переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход Увеличивается инжекция дырок в n-область, а электронов в p-область Прохождение тока через р n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда Рекомбинация происходит как в самом p-n-переходе, так и в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами L_n и L_p В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки) вблизи середины запрещенной зоны и сопровождается выделением тепловой энергия - фонона Такая рекомбинация называется безызлучательной В ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света -фотона. Это происходит у полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - прямозонных полупроводников Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны (переход зона- зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток р n-перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в p-n-переходе Излучательная способность светодвода характеризуется

· внутренней квантовой эффективностью (или внутренним квантовым выходом), определяемой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей заряда за один и тот же промежуток времени Так как часть фотонов покидает полупроводник, а другая часть отражается от поверхности полупроводника и затем поглощается объемом полупроводника, то вводится понятие квантовой эффективности излучения,

· внешней квантовой эффективностью излучения (квантовым выходом), определяемой отношением числа фотонов, испускаемых диодом во внешнее пространство, к числу инжектируемых носителей через p-n-переход

Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной способности светодиода, который учитывает эффективность инжекции, электролюминесценцию и вывод излучения во внешнее пространство С целью повышения эффективности вывода излучения светодиода используют различные конструкции (рис 1 2) полусферы, отражающие металлизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение

Основными характеристиками светодиодов являются:

· ВАХ Различие прямых ветвей ВАХ из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны Чем больше прямое падение напряжения на диоде, тем меньше длина волны излучения и больше потери электрической энергии в нем Обратные ветви ВАХ имеют относительно малые пробивные напряжения, что объясняется малой толщиной p-n-переходов Светодиоды работают преимущественно при прямом включении При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения

· Яркостная характеристика - это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p-n-переход (рис 4)

· Спектральная характеристика - зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции Поэтому светодиоды на основе полупроводников с разной шириной запрещенной зоны имеют спектральные характеристики с максимумом излучения при различных длинах волн

Параметры светодиодов:

· Сила света I_V - световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд) и составляет десятые доли единицы милликанел. Кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником

· Яркость излучения - отношение силы света к площади светящейся поверхности Она составляет десятки сотни кандел на квадратный сантиметр

· Постоянное прямое напряжение - падение напряжения на диоде при заданном токе (2 4 В)

· Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку. Зависит от примесей: ZnO - красный, N - зеленый

· Максимально допустимый постоянный прямой ток составляет десятки миллиампер и определяет максимальную яркость излучения

· Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы вольт)

· Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямою тока

· Время переключения t_ПЕР складывается из времени включения t_ВКЛ и выключения t_выкл излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезарядки барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода

Оптопары

Оптопара (оптрон) -оптоэлектрический п/п прибор, содержащий излучающий и принимающи элементы, оптически и конструктивно связанные друг с другом. В качестве излучателя обычно используются СИД, а в качестве приемника - ФС, ФД, ФТ. Структурная схема оптопары представлена на рис. 7.8.

В качестве оптоканала (ОК) может использоваться воздух, стекло, пластмасса, волоконнооптические материалы.

Средой ОК (ее прозрачностью можно управлять с помощью внешнего УУ (устройства управления).

Важным свойством оптопар является их способность усиливать эл. сигналы по напряжению, току и мощности, а так же полная эл. развязка между узлами аппаратуры, находящимися под различными потенциалами или имеющих различные значения логических уровне, в качестве эл-тов оптического управления сильноточными и высоковольтными узлами.

На рис. 7.9 представлены резисторная (а), диодная (б) и транзисторная (в) оптопары.

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3