14-04-2020-ЭЛЕКТРОНИКА-1.1-ГЛАЗАЧЕВ (1171923), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Вольт-амперные характеристики фототранзистора6.2.4. ФототиристорыПо такому же принципу, как и управление фототранзистором, можно управлять и тиристором.Такой прибор называется фототиристором.Вместо управляющего электрода сигнал управления в виде потока лучистой энергии (рис. 6.24)подаётся в специальное окно в корпусе прибора, что приводит к тем же явлениям, как если бы былподан электрический сигнал управления на управляющий электрод. Все остальные характеристикитакого тиристора аналогичны характеристикам обычного тиристора с электрическим управлением.R U p1П1 П 2П3n1p2n2AIKФабвРис. 6.24. Конструкция фототиристора (а ); структура фототиристора (б)и его условное графическое обозначение (в)На рис.
6.25 представлена вольт-амперная характеристика фототиристора.111А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийФототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналовбольшой мощности. Сопротивление фототиристора изменяется от 10 8 Ом (в запертом состоянии)до 10 1 Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристоров лежит в пределах 10 5...10 6 с.IАФ у Ф спр Ф 0уФу 0U АКРис. 6.25.
Вольт-амперная характеристика фототиристора6.3. СветодиодыСветодиод, или светоизлучающий диод (СИД) – это полупроводниковый диод на основе p–nили гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока.Принцип действия светодиодов основан на использовании явления излучательной рекомбинации. Когда через p–n-переход протекает прямой ток (рис. 6.26), то при этом происходит рекомбинацияносителей, т.е. заполнение свободного энергетического уровня в валентной зоне электроном, находящимся в зоне проводимости, что, естественно, сопровождается выделением энергии. Чаще всего этаэнергия выделяется в виде тепла, но можно подобрать такие полупроводниковые материалы, в которых явление рекомбинации будет сопровождаться излучением квантов лучистой энергии. Обычно этонаблюдается в полупроводниках, представляющих собой двойные и тройные соединения.WПpWFWВpWПnWFqU прWВnРис.
6.26. Энергетическая диаграмма прямовключенного светодиодаПо характеристике излучения светодиоды разделяют на две группы: Светодиоды с излучением в видимой части спектра; Светодиоды с излучением в инфракрасной части диапазона.Конструктивное оформление светодиодов также различное, однако, чаще всего они выполняются в виде монокристалла полупроводника, в котором создан p–n-переход; кристалл вмонтирован встеклянный корпус-линзу, свободно пропускающую излучаемый свет (рис.
6.27).Светодиоды нашли широкое применение в устройствах отображения информации, в вычислительных устройствах для ввода – вывода информации, а также в устройствах оптоэлектроники.Светодиоды могут иметь несколько p–n-переходов, расположенных на одном монокристалле.В зависимости от их включения или режима работы они излучают в различных областях спектраи имеют управляемый цвет свечения. При этом используются или зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока p–n-перехода, или смешение излучений двух светодиодов, имеющихсвечение разного цвета.112А.В. Глазачев, В.П. Петрович.
Электроника 1.1. Конспект лекцийpnбавРис. 6.27. Конструкции светодиодов (а), структура (б) и условное графическое обозначение светодиода (в)Наибольшее распространение получил второй случай. Как видно из рис. 6.28, на кристалле полупроводника созданы два p–n-перехода.Примеси подобраны такимЗеленыйКрасныйобразом, что один переход излу1чает свет красного цвета, а другой2– зеленого. При их смешиванииp2получается желтый цвет. В структуре имеется три (1, 2, 3) вывода,nчто позволяет через каждый p–n31переход пропускать свое значеpние тока. Изменяя токи переходов, удается менять цвет излуче3ния от желто-зеленого до красноабжелтого оттенка, а также получатьРис. 6.28.
Структура двухцветного светодиода (а);чистые красный и зеленый цвета.условное графическое обозначение двухцветного светодиода (б)Комбинируя включение отдельных переходов, можно получить изображение светящейся цифры, буквы или знака. Для этого набазе светодиодов выпускаются знакосинтезирующие индикаторы (рис. 6.29), например цифровые,которые могут быть одноразрядными (рис. 6.29, в) и многоразрядными (рис. 6.29, г). В сегментныхзнакосинтезирующих индикаторах каждый сегмент выполнен в виде отдельного светодиода.
Для высвечивания цифр от нуля до девяти необходимо иметь по меньшей мере семь сегментов (рис. 6.29, д).gjfaвefbjаdссeгgdбдbaРис. 6.29. Знакосинтезирующие индикаторы: линейные шкалы (а),светодиодная матрица (б), цифровые индикаторы (в, г, д)Низкое напряжение питания, малые токи, миниатюрность, долговечность, высокое быстродействие – основные достоинства светодиодных индикаторов отображения информации.113А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1.
Конспект лекцийДолгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синемдиапазоне. Попытки реализовать синие и зелёные светодиоды были связаны с использованиемкристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (тоесть число излучённых квантов на одну рекомбинировавшую пару).
У светодиодов на основе твёрдыхрастворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большогосопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.Исследования свойств нитридов элементов группы III (AlN, GaN, InN) и их сплавов, представляющих собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами, позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления светодиодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240...620 нм) областях спектра.Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных пленок GaN, было отсутствие подходящих подложек, параметры решётки и коэффициент теплового расширения которыхсоответствовали бы GaN.
Долгое время такие плёнки выращивали на сапфире (рассогласование решеток 13,5%), достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность очисткиперед началом роста. Другая проблема – получение кристаллов p-типа. Первые работы в этом направлении были начаты ещё в 60е годы XX века, однако все попытки надёжно внедрить элементы группы II(Mg, Zn, Be) как примеси замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей.Впоследствие в разработке синих светодиодов участвоали отечественные и зарубежные ученые.Первый коммерческий синий светодиод был сделан Шуджи Накамурой (Shuji Nakamura) (NichiaChemical Industries, Япония) в начале 1994 года на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активнымслоем InGaN, легированным Zn (рис. 6.30).
Выходная мощность составляла 3 мВт при прямом токе 20мА с квантовым выходом 5,4% на длине волны излучения 450 нм. Вскоре после этого за счёт увеличения концентрации In в активном слое был изготовлен зелёный светодиод, излучавший с силой света 2кд. Он состоит из 3нм активного слоя InGaN, заключённого между слоями p–AlGaN и n–GaN, выращенными на сапфире.
Такой тонкийслой InGaN сводит к минимумуp-электродвлияние рассогласования решёp-GaN0,5 мкмток: упругое напряжение в слое0,15 мкмp-Al0,15Ga0,94N0,15мкмможет быть снято без образоваСлой p-In0.6Ga0,94N,0,15 мкмния дислокаций и качество крилегированный Znn-Al0,15Ga0,85Nn-электрод4 мкмсталла остаётся высоким. В 1995n-GaNгоду при ещё меньшей толщинеслоя InGaN и более высокомСапфироваясодержании In удалось повыподложкасить силу света до 10 кд надлине волны 520 нм, а квантоабвую эффективность до 6,3%,Рис.
6.30. Синий светодиод (а) на основе нитрида галлия и его структура (б)причём измеренное время жизни светодиодов составляло 50000 ч, а по теоретическим оценкам – более 106 тысяч часов (~150 лет!).На сегодняшний день внешний квантовый выход излучения светодиодов на основе GaN и еготвёрдых растворов (InGaN, AlGaN) достиг значений 29/15/12% соответственно для фиолетовых/голубых/зелёных светодиодов; их светоотдача достигла значений 30...50 лм/Вт.
Внутренний квантовый выход для «хороших» кристаллов с мощным теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих 35%. Внешний квантовый выход излучения жёлтых и красных светодиодов на основе твёрдых растворов AlInGaP достигзначений 25...55%, а светоотдача соответственно достигла 100 лм/Вт, т.е. сравнялась со светоотдачейлучших современных люминесцентных ламп.Создание синих светодиодов сделало возможным получение светодиодов белого свечения. Существует четыре способа получения белых светодиодов, каждый из которых имеет свои достоинства инедостатки:Смешение излучения светодиодов трёх или более цветов.
На рис. 6.31 белый свет получаетсяпутем смешивания в определённой пропорции излучения красного, зелёного и синего светодиодов.114А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийДля каждого из светодиодов можно подобрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения (число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару«электрон – дырка»). Однако при этих токах и напряжениях интенсивности каждого цвета не будутсоответствовать значениям, необходимым для создания белого цвета. Добиться этого можно путемизменения числа светодиодов каждого цвета, при этом источник состоит из многих диодов.
На практике данный способ неудобен, т.к. необходимо иметь несколько источников различного напряжения,множество контактов, а также устройства, смешивающие и фокусирующие свет используемых светодиодов.Красный пикСиний пикЗеленый пик170анм590525бРис. 6.31. Получение белого света путём смешивания излучения красного,зеленого и синего светодиодовСмешение синего излучения светодиода с излучением жёлто-зелёного люминофора либо зелёного и красного люминофоров. Эти два способа наиболее простые в настоящее время наиболееэкономичны. На рис.
6.32 показано получение белого света при помощи кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора. Состав кристалла подбирается так, чтобы егоспектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Люминофор наносится таким образом, что часть голубого излучения возбуждает люминофор, а часть проходила без поглощения. Толщина люминофора, форма держателя и пластикового купола подбираются так, чтобы излучение имело белое свечение в нужном телесном угле.Белый светСиний СИДИзлучениелюминофора470а525590630 нмбРис.
6.32. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиодаи нанесённого на него слоя желтого люминофораСмешение излучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом (рис. 6.33). Данный способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались для люминесцентных ламп. Однако этот способ связан с потерями энергиипри преобразовании света от диода в люминофорах, а также эффективность источника излученияуменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции (электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний), не точно соответствующие ультрафиолетовому спектру излучения светодиода.ОбщийспектрУФ СИД470аИзлучениелюминофора525590 630 нмбРис. 6.33. Получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиодаи RGB-люминофора115А.В.
Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийСветоотдача (световой поток на единицу потребляемой мощности) белых светодиодов ниже,чем у светодиодов с узким спектром излучения, потому что в них происходит двойное преобразование энергии, часть её теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших белых светолмдиодов (к примеру, рис. 6.34) доходит до 6575,.ВтПластиковаялинзаКатодКристаллЗолотаяпроволочная Медныйперемычка радиатор Силиконовоезащитноепокрытие отэлектростатикиФотонФотонСапфирЗолотаяпроволочнаяперемычкаn-область GaNАктивнаяобластьСИД Luxionp-область GaNОмическийконтактОмическийПайка контактСиликоноваяподложкаРис. 6.34.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
