Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


“ема 8.  омпоненты оптоэлектроники




ќптоэлектроника Ц это раздел электроники, где в качестве носител€ информации используютс€ электромагнитные волны оптического диапазона. ƒлины волн оптического излучени€ лежат в диапазоне от 10 нм до 1 мм. ќптический диапазон волн по физическим свойствам неоднороден, в св€зи с этим он делитс€ на поддиапазоны, у которых физические свойства одинаковы: ультрафиолетовое излучение l=0,01Е0,4 мкм, видимое излучение l=0,38Е0,78 мкм, инфракрасное излучение l=0,78Е1000 мкм.

ƒлина волны определ€ет степень передачи и поглощени€ излучени€ в различных светопровод€щих средах.

—ветовой луч в оптоэлектронике выполн€ет те же функции управлени€, преобразовани€ и св€зи, что и электрический сигнал в электрических цеп€х.

¬ оптических цеп€х носител€ми сигналов €вл€ютс€ электрически нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваютс€ и не рассеиваютс€. ќптические цепи не подвержены вли€нию электрических и магнитных полей. »спользование в качестве носител€ информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую разв€зку входных и выходных цепей оптоэлектронных элементов св€зи; однонаправленность передачи и отсутствие вли€ни€ приемника на передатчик; высокую помехозащищенность оптических каналов св€зи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электрических и магнитных полей; отсутствие вли€ни€ паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале св€зи и отсутствие паразитных св€зей между каналами; хорошее согласование цепей с разными входными и выходными сопротивлени€ми.

¬ электрических же цеп€х носител€ми зар€да €вл€ютс€ электроны, которые взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными пол€ми, что требует экранировани€ и защиты от внешних полей. ¬ электрических цеп€х трудно осуществить гальваническую разв€зку по посто€нному току и на низких частотах.

Ќевосприимчивость оптического излучени€ к различным внешним воздействи€м и электронейтральность фотона €вл€ютс€ не только достоинствами, но и недостатками, ибо затрудн€ют управление интенсивностью и распространением светового потока.

 омпоненты оптоэлектроники и электроники существуют, не отрица€ друг друга, а каждый из них используетс€ в той области, где применение его целесообразно.

¬ устройствах оптоэлектроники передача информации от управл€емого источника света (фотоизлучател€) к фотоприемнику осуществл€етс€ через светопровод€щую среду (воздух, вакуум), световоды, выполн€ющие роль проводника оптического излучени€. —ветоводные линии €вл€ютс€ эквивалентами электрических проводников и характеризуютс€ большой пропускной способностью, возможностью совмещать в одном световоде большое число каналов св€зи при очень высокой скорости передачи информации, достигающей гигабит в секунду. ќптическое излучение легко раздел€етс€ по длинам волн, поэтому в одном световоде можно объедин€ть несколько каналов информации.

ќтсутствие электрического тока в световодах обеспечивает их высокую пожаро- и взрывобезопасность. Ёти свойства важны при прокладке линий св€зи и установке устройств автоматики в помещени€х с повышенной опасностью.

ќптоэлектронные устройства могут быть изготовлены по интегральной технологии. ќптические интегральные схемы обладают широкой полосой пропускани€, невосприимчивостью к вибрации, повышенной надежностью, экономичностью при серийном производстве, малыми размерами и массой.

»злучающие приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучени€ с определенной длиной волны или в узком диапазоне длин волн. ¬ основе работы управл€емых источников оптического излучени€ лежит одно из следующих физических €влений: температурное свечение, газоразр€дное излучение, электролюминесценци€; индуцированное излучение. »сточники излучени€ бывают когерентными и некогерентными. Ћампы накаливани€, газоразр€дные лампы, электролюминесцентные элементы, инжекционные светодиоды €вл€ютс€ некогерентными источниками излучени€.  огерентными источниками излучени€ €вл€ютс€ лазеры.

ѕринцип действи€ полупроводниковых излучающих приборов основан на €влении электролюминесценции. Ёлектролюминесценцией называют €вление излучени€ света телами под действием электрического пол€.

Ёлектролюминесценци€ €вл€етс€ частным случаем люминесценции. ѕод люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Ћюминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. ¬ оптоэлектронных полупроводниковых приборах используетс€ люминесценци€ кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной. ƒл€ работы в диапазоне видимого излучени€ (0,38Е0,78 мкм) используютс€ полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5Е3,0 э¬. Ёто исключает применение германи€ и кремни€, технологи€ которых хорошо отработана, а используютс€ материалы типа јIII¬V (арсенид галли€ GaAs, фосфид галли€ GaP, нитрид галли€ GaN, карбид кремни€ SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галли€ GaAs1-xPx, где 0 £ x < 1 и другие многокомпонентные полупроводниковые соединени€. ¬ полупроводниках генераци€ оптического излучени€ обеспечиваетс€ инжекционной электролюминесценцией. √енераци€ оптического излучени€ в pЦn переходе объедин€ет два процесса: инжекцию носителей и электролюминесценцию.

ќдним из наиболее распространенных источников света €вл€етс€ светодиод Ц полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучени€. Ёто происходит при смещении pЦn перехода в пр€мом направлении.

Ќа рис.8.1 показана конструкци€ плоского, а на рис. 5.2 полусферического светодиодов.

–ис.8.1

 

ѕри приложении пр€мого напр€жени€ Uвн к pЦn переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход. ”величиваетс€ инжекци€ дырок в nЦобласть, а электронов в pЦобласть. ѕрохождение тока через pЦn переход в пр€мом направлении сопровождаетс€ рекомбинацией инжектированных неосновных носителей зар€да. –екомбинаци€ происходит как в самом pЦn переходе, так и в примыкающих к переходу сло€х, ширина которых определ€етс€ диффузионными длинами Ln и Lp.

 

–ис.8.2

¬ большинстве полупроводников рекомбинаци€ осуществл€етс€ через примесные центры (ловушки), энергетические уровни которых располагаютс€ вблизи середины запрещенной зоны, и сопровождаетс€ выделением тепловой энергии Ц фонона. “ака€ рекомбинаци€ называетс€ безизлучательной. ј в р€де случаев процесс рекомбинации сопровождаетс€ выделением кванта света Ц фотона. Ёто происходит в полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны Ц пр€мозонных полупроводниках. Ёлектроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переход€т на более низкие энергетические уровни валентной зоны (переход зона-зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение. ‘отон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, при котором еще один электрон перейдет в валентную зону. яркость свечени€ светодиода примерно пропорциональна числу зар€дов, инжектированных pЦn переходом. ∆елательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально в излучающей (активной) pЦобласти (рис. 5.1, 5.2). ƒл€ этого в nЦобласть ввод€т больше донорной примеси, чем в рЦобласть акцепторной. ѕреобладает инжекци€ электронов из nЦобласти в pЦобласть и излучает pЦобласть. »з-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток pЦn перехода оказываетс€ большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых пр€мых напр€жени€х, процесс рекомбинаци€ в этом случае реализуетс€ в основном в pЦn переходе.

»злучательна€ способность светодиода характеризуетс€:

1. ¬нутренней квантовой эффективностью или внутренним квантовым выходом, определ€емой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей зар€да за один и тот же промежуток времени. “ак как часть фотонов покидает полупроводник, а друга€ часть отражаетс€ от поверхности полупроводника, а затем поглощаетс€ объемом полупроводника, то ввод€т пон€тие квантовой эффективности излучени€.

2. ¬нешней квантовой эффективностью излучени€ (квантовым выходом), определ€емой отношением числа фотонов, испускаемых диодом, во внешнее пространство к числу инжектируемых носителей через pЦn переход.

¬нешний квантовый выход €вл€етс€ интегральным показателем излучательной способности светодиода, который учитывает эффективность инжекции, электролюминесценции и вывода излучени€ во внешнее пространство. — целью повышени€ эффективности вывода излучени€ светодиода используют различные конструкции (рис. 5.2): полусфера, отражающие металлизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение.

¬несение в полупроводник некоторых примесей позвол€ет получать свечение различного цвета. Ќар€ду со светодиодами, работающими в диапазоне видимого излучени€, выпускаютс€ светодиоды инфракрасного излучени€ (» Цдиоды), которые изготавливаютс€ преимущественно из арсенида галли€. » Цдиоды примен€ютс€ в фотореле, различных датчиках и при создании некоторых оптронов.

 

8.2. ’арактеристики светодиодов

ќсновными характеристиками светодиодов €вл€ютс€: вольт-амперна€, €ркостна€, спектральна€.

Ќа рис.8.3 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов изготовленных из разных полупроводниковых материалов. –азличие пр€мых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов св€зано с различной шириной запрещенной зоны. „ем меньше длина волны излучени€, тем больше пр€мое падение напр€жени€ на диоде и потери электрической энергии в нем. ќбратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напр€жени€м, что объ€сн€етс€ малой толщиной pЦn переходов. —ветодиоды работают преимущественно при пр€мом включении. ѕри работе в схеме с большими обратными напр€жени€ми последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напр€жени€.

–ис.8.3

яркостна€ характеристика Ц это зависимость €ркости излучени€ от величины тока, протекающего через pЦn переход (рис. 8.3).

¬ качестве параметра электрического режима выбран пр€мой ток через диод, а не падение напр€жени€ на диоде. —ветодиод, pЦn переход которого включен в пр€мом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. ћожно считать, что пр€мой ток через диод задаетс€ внешней цепью, измен€етс€ в широком диапазоне и легко измер€етс€. ¬ св€зи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.

 

–ис.8.4

¬ид €ркостной характеристики зависит от структуры pЦn перехода и области, в которой происходит преимущественна€ рекомбинаци€ носителей зар€да. ѕри малых пр€мых токах и при малых напр€жени€х излучение отсутствует. »злучение возникает при напр€жени€х, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. ѕоэтому начальный участок €ркостной характеристики нелинеен. –ост тока (напр€жени€) увеличивает число рекомбинирующих носителей, €ркость возрастает. ѕри больших токах начинает сильно про€вл€тьс€ безизлучательна€ рекомбинаци€ из-за заполнени€ ловушек, что уменьшает квантовый выход.  роме того, с ростом тока увеличиваетс€ веро€тность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. ¬ св€зи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становитс€ меньше.

ƒлина волны излучени€ определ€етс€ разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. ¬ св€зи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучени€ в разных типах излучающих диодов различна. “ак как переход электронов при рекомбинации носителей зар€да обычно происходит не между двум€ энергетическими уровн€ми, а между двум€ группами уровней, то спектр излучени€ оказываетс€ размытым. —пектральный диапазон излучени€ диода характеризуют шириной спектра излучени€, измер€емой по уровню 0,5 от максимума характеристики. ƒлина волны излучаемого света однозначно определ€етс€ энергией кванта, котора€ при излучательной рекомбинации и в полупроводниках приблизительно равна ширине запрещенной зоны. ѕоэтому , где h- посто€нна€ ѕланка. ƒл€ светодиодов изготовленных из арсенида галли€ =0,9Е1,4 мкм (инфракрасное излучение) из фосфида галли€ =0,7мкм (красное излучение), а из карбида кремни€ =0,55мкм (желтое излучение).

Ќа практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. ƒиапазон спектральной чувствительности фотоприемника составл€ет примерно 0,3Е1,1 мкм. „еловеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности Ц 0,4Е0,7 мкм.

 

8.3. ќсновные параметры светодиодов

 

1. —ила света IV Ц световой поток, приход€щийс€ на единицу телесного угла в заданном направлении, выражаетс€ в канделах (кд), и составл€ет дес€тые доли Ц единицы мкд.  андела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.

2. яркость излучени€ равна отношению силы света к площади свет€щейс€ поверхности. ќна составл€ет дес€ткиЦсотни кд/см2.

3. ѕосто€нное пр€мое напр€жение Ц падение напр€жени€ на диоде при заданном токе (2Е4 ¬).

4. ÷вет свечени€ или длина волны, соответствующа€ максимальному световому потоку.

5. ћаксимально допустимый посто€нный пр€мой ток, составл€ет дес€тки мј и определ€ет максимальную €ркость излучени€.

6. ћаксимальное допустимое посто€нное обратное напр€жение (единицы B).

7. Ѕыстродействие излучающего диода определ€етс€ инерционностью возникновени€ излучени€ при подаче пр€моугольного импульса пр€мого тока (рис. 5.7).

¬рем€ переключени€ tпер складываетс€ из времени включени€ tвкл и выключени€ tвыкл излучени€. »нерционность излучающего диода определ€етс€ процессом перезар€дки барьерной емкости и процессами накоплени€ и рассасывани€ неосновных носителей в активной области диода.

8. ƒиапазон температур окружающей среды, при которых светодиод сохран€ет свою работоспособность (Ц60Е+70 ∞C).

9. —рок службы составл€ет 104Е106 часов.

—ущественным недостатком светодиодов €вл€етс€ зависимость их параметров от температуры и продолжительности эксплуатации. — повышением температуры €ркость и сила света уменьшаютс€, несколько увеличиваетс€ длина волны излучени€. Ёто увеличение обусловлено тем, что с ростом температуры уменьшаетс€ ширина запрещенной зоны полупроводника. ѕосто€нное уменьшение мощности излучени€ (деградаци€) при длительном протекании через прибор пр€мого тока св€зано с увеличением концентрации центров безизлучательной рекомбинации за счет перемещени€ в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов.

»так, характерными свойствами светодиодов €вл€етс€ их высока€ надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, масса, потребл€ема€ мощность, возможность изготовлени€ светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечени€, совместимость с интегральными микросхемами.

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-11-20; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 453 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

—вобода ничего не стоит, если она не включает в себ€ свободу ошибатьс€. © ћахатма √анди
==> читать все изречени€...

1248 - | 1162 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.028 с.