Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (989598), страница 40
Текст из файла (страница 40)
При отсутствии внешнего напряжения на светодиоде интенсивность рекомбинаций настолько незначительна, что излучение р-п перехода не наблюдается. Обычно светодиоды изготовляют с несимметричным р-а переходом: концентрация дырок в р-области значительно превышает концентрацию электронов в п-области. При включении источника прямого напряжения через р-и переход проходит большой ток за счет инжекции дырок из р-области в и-область. В результате и-область вблизи р-и перехода насыщается дырками, происходит интенсивная их рекомбинация с электронами, сопровождающаяся в рассматриваемых полупроводниках излучением света. Интенсивность излучения пропорциональна количеству носителей заряда, инжектированных через р-и переход. Поэтому светодиоды называют инжекс(ионными.
Для увеличения яркости свечения необходимо увеличивать прямой ток через светодиод. Чтобы обеспечить достаточную яркость из- лучения, требуется создать плотность тока порядка 30 А/см„ а поскольку площадь р-и перехода очень мала, то прямой ток составляет обычно 5 — 100 мА. Свечение, излучаемое р-л переходом светодиода, связано с энергетическими процессами и может быть объяснено с помощью диаграммы энергетических уровней. В результате инжекции в п-область неосновных для нее носителей заряда и большого количества в ней основных носителей получается значительное число электронов проводимости и дырок.
На энергетической диаграмме это соответствует заполнению нижних уровней зоны проводимости электронами и появлению в верхней части валентной зоны не занятых электронами уровней — дырок (рис. 3.26, б). Такое состояние неустойчиво, поэтому непрерывно происходит процесс обратного перехода электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны, т. е.
рекомбинация электронов и дырок. Выделяющаяся при этом энергии для каждого случая рекомбинации равна разности энергий, соответствующих уровню, на котором электрон был в зоне проводимости, и уровню, на который он перешел в валентной зоне. Из энергетической диаграммы видно, что выделяющаяся при рекомбинации энергия может иметь значения только в пределах от ширины заире)ценной зоны Л(г', до величины Л(р', + 26)г', где 6Ж вЂ” ширина заполненной части зоны проводимости и, соответственно, свободной части валентной зоны.
В то же время выделяющийся при рекомбинации квант с энергией от Л(У', до Л)г', + 26%' не может быть поглощен электроном валентной зоны, так как для перехода его с занимаемого им уровня в валентной зоне на свободный уровень в зоне проводимости он должен получить энергию, превышающую величину ЛЖ.+26%'. Из-за того что на верхних уровнях валентной зоны нет электронов, а нижние уровни зоны проводимости заняты, переход электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии кванта, выделяющейся при рекомбинации„невозможен; эта энергия не поглощается электронами прилежащих к р-и переходу слоев, а выделяется в пространство в виде фотонов лучистой энергии.
Частота излучения соответствует энергии фотона в узком диапазоне — от ЛК, до Л(й', + 26%'. Пусть энергия фотона равна энергии .Л(г'",. Тогда Лм = Л(гю откуда д(рэ о= — ' 8 Учитывая, что длина волны Л = — с, получим: т Л= —, сй ~)ез где с — скорость света; Л вЂ” постоянная Планка. )87 тивлтый .ф Линза Ж. н~ в + ~ пр по о,в АЛ102А е О,б О.В 0,7 Х, мнм ~йв Следовательно, длина волны излучения тем меньше„чем больше ширина запрещенной зоны.
При этом наблюдается свечение определенного цвета, зависящего от материала светодиода. Различные типы светодиодов могут дать красное, оранжевое, желтое, зеленое, голубое свечение, а также инфракрасное излучение, позволяя перекрыть диапазон длин волн от 0,45 до 0,9 мкм. Часть фотонов, испускаемых р-и переходом при рекомбинации, не выходит из кристалла во внешнее пространство, а пре- Рис. 3.27.
Устройство светодиода: о — плоеная конструкции; б — полусферическая конструкция; а — условное графическое обозначение; г — внешний вид терпевает отражение от его поверхности и поглощается затем в объеме полупроводника. Отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных носителей заряда, инжектированных через р-я переход, называется квантовой эффективностью излучения, или квантовым вмкодом.
Квантовый выход составляет 0,1 — 0,3 %. Структура и конструкция простейшего светодиода, а также его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.27. В кристалле сложного полупроводника создаются области и-типа и р-типа, на которых имеются невыпрямляющие контакты для присоединения наружных выводов.
Кристалл помещается в корпус с прозрачным окном, через которое от р-я перехода исходит излучение; в окно может быть вставлена линза. 3.4.2. Характеристики и параметры светодиодов Основными характеристиками светодиода являются вольт-амперная, яркостная и спектральная. Вольт-амнерная характеристика имеет такой же вид, как для обычного полупроводникового диода, но используется только ее прямая ветвь (рис.
3.28, а): ппр Г (и'пр) ° Отличается она большим падением напряжения на светодиоде в прямом направлении (3 — 6 В) из-за большей ширины ЬВ",. Ярхостная, или люкс-амперная, характеристика представляет собой зависимость яркости свечения В от проходящего через светодиод тока (рис. 3.28, б): В = 1((). Начальный участок этой характеристики нелинейный: при токе меньше порогового /„.п яркость свечения очень мала и медленно возрастает с увеличением тока (практически люминесцен- о,в о,а О,2 о о и пр о,а ~пор а б Рис. 3.28. Характеристики светодиода; о — вольт-ампернан; б — яркосгная; в — спектральные ция очень слабая). Этот участок не используется при работе светодиода. С увеличением тока от порогового значения характеристика имеет большой линейный участок, являющийся рабочим.
На этом участке существует пропорциональность между яркостью свечения и током. Изменение яркости свечения, приходящееся на единицу изменения тока, называют чувствительностью по яркости Во. ЬВ Во = —. бг На линейном рабочем участке.яркостной характеристики чувствительность по яркости во всех точках одинакова и определяет наклон рабочего участка характер~)ртики,д„горизонтальной оси. Спектральная характеристика светодиода — это зависимость яркости излучения от длины волны излучаемого света (рис. 3.28, в). По вертикальной оси обычно откладывают относительную яркость В/В„,„, в процентах от максимальной. Длина волны, на которой светодиод дает максимум излучения, зависит от материала: для светодиодов на основе фосфида галлия, дающих красное и красно-оранжевое свечение, максимум соответствует длине волны 0,68 мкм; для светодиодов, дающих зеленое свечение, — 0,54 мкм; для светодиодов на основе карби- да кремния с желтым свечением — 0,6 мкм, с желто-оранжевым свечением — 0,625 мкм.
Основными параметрами светодиода являются мощность нлн яркость излучения, длина волны излучаемого света, определяющая цвет свечения, ток н напряжение в рабочем режиме. Светодиоды работают прн прямом токе 3 — 40 мА н прямом напряжении 2,5 — 5,5 В. Яркость свечения различна у светодиодов с разным цветом свечения. Наибольшую яркость имеют светодиоды с зеленым свечением — до 120 кд/мз прн постоянном токе 3 мА; яркость у остальных светодиодов — порядка 20 — 50 кд/мз. К.п.д.
светодиода, представляющнй собой отношение мощности излучения к затраченной электрической мощности, очень низок н не превышает 1 — 3 %, так как основная часть электрической мощности превращается в тепло н составляет потери. Светодиоды характернзуются очень малой инерционностью; нх быстродействие составляет 10 ' — 10 ' с. 3.4.3. Тяпы светодиодов н ях прямененяе Светодиоды находят все более широкое применение в качестве источников света в автоматике, нзмернтельной технике, кннематографнн н других областях благодаря целому ряду преимуществ. Онн имеют малые габариты н вес, практически неограниченный срок службы, высокую стабильность, высокое быстродействие, работают прн низких напряжениях питания, потребляют малую электрическую мощность„позволяют получать различный цвет свечения, просты в эксплуатации, устойчивы к механнческнм воздействиям н действию окружающей среды, имеют ннзкую стоимость прн массовом изготовлении, позволяют использовать нх в электронных схемах с другими полупроводниковыми приборами.
Технологии изготовления светодиодов совместима с технологией изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Светодиоды нашли основное применение в качестве световых индикаторов на панелях управления электронной аппаратуры. Онн могут служить элементами святящихся табло для отражения различной ннформацнн„ннднкаторамн перегрузки, включения аппаратуры, измеряемых величин взамен стрелок на панелях измерительных приборов. Система обозначений светодиодов такая же, как для обычных диодов: первый элемент — буква, обозначающая материал светодиода; например, на базе соединений галлия (арсеиида галлия, фосфида галлия) — буква А, на базе карбида кремния — К; второй элемент — буква Л вЂ” обозначает тип прибора по принципу действия — люминесцентный; третий и четвертый элементы — число и буква — соответствуют порядковому номеру разработки данного типа и группе по параметрам.
Примеры обозначений: АЛ102Б, КЛ101В. В кинотехнике светодиоды могут быть использованы как световые индикаторы включения звуковоспронзводящей н электропнтающей аппаратуры, как пнк-ннднкаторы — указатели превышення номинальной мощности усилителя, а также в качестве источников света прн фотографической записи звука н в системе воспронзведення фотографической фонограммы. Для визуального контроля работы электронной аппаратуры используют светодиоды нз фосфнда галлия типа АЛ102А, Б (красное свечение) н АЛ(02В (зеленое свечение). Светодиоды типа АЛ301А, Б (красное свечение) могут быть использованы Единнчимв б вивзюиты 4 Линза й1б З 7 ° оооо ° ФФФФ ФФооФоФо б в Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
