1.15 Оптоэлектронные полупроводниковые приборы.

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы (ОПП) – полупроводниковые приборы, излучающие или преобразующие электромагнитное излучение в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра, а также использующие подобное излучение для внутреннего взаимодействия.

Оптическим диапазоном работы ОПП условно считают диапазон от 1мм до 1 нм.

(ИК диапазон - 1мм 0,78 мкм, УФ диапазон – 0,38 мкм 1нм );

ОПП подразделяют:

• полупроводниковые излучатели;

• приемники излучения;

• оптопары;

• оптоэлектронные интегральные микросхемы;

1.15.1 Светодиод. Общие сведения и характеристики.

Светодиод – полупроводниковый диод, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

В качестве исходного материала при изготовлении светодиодов используют арсенид галлия (GaAs), фосфит галлия (GaP), карбит кремния (SiC). Применяют планарную и сферическую конструкции светодиода, упрощённо показанные на рис. 1.26 и 1. 27 соответственно.

Рис 1.26 Планарная Рис 1.27 Сферическая

конструкция конструкция

светодиода светодиода

Планарная конструкция светодиода даёт узкую диаграмму направленности излучения световой энергии, т.е. обеспечивает излучение света узким пучком, а сферическая конструкция используется для получения большей поверхности светоотдачи при наименьшей потере энергии за счет ее поглощения в толще полупроводника, но имеет широкую диаграмму направленности излучения.

Светодиоды характеризуются ВАХ с большим прямым падением напряжения, чем на кремниевом диоде. ВАХ светодиода и кремниевого диода приведены на рис. 1.28. Светодиод (правая ветвь) имеет большее падение напряжения при одном и том же токе.

Рис 1.28 ВАХ светодиода и кремниевого диода

Светодиоды содержат p–n–переход, который смещается внешним напряжением в проводящем направлении. При прохождении через диод прямого тока в прилежащих к переходу областях полупроводника происходит рекомбинация носителей зарядов – электронов и дырок. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона с электрического уровня Е_С на энергетический уровень E_ с меньшим запасом энергии. Так как у германия и кремния ширина запрещенной зоны сравнительно невелика (соответственно 0,72 и 1,12 эВ ), то выделяемая при протекании рекомбинационных процессов энергия поглощается в основном кристаллической решеткой полупроводника. Полупроводниковые материалы светодиодов имеют большую ширину запретной зоны (например, для GaAs E=1,38 эВ). Поэтому в светодиодах часть освобождающейся энергии (при протекании рекомбинационных процессов) поглощается объемом полупроводника, а избыток излучается в виде квантов света в окружающее пространство и фиксируется зрительно. Большая ширина запрещенной зоны приводит и к большему падению напряжения на светодиоде в сравнении с кремниевым диодом.

Цвет свечения светодиода зависит от длины волны светового потока, которая в свою очередь определяется разностью энергий E_P энергетических уровней, между которыми осуществляется обмен:

,где =6,62 ·10^-34 Дж·с – постоянная Планка.

Непосредственное подключение светодиода к источнику напряжения (источнику ЭДС) производится редко, т.к. величина напряжения источника как правило не соответствует напряжению на светодиоде, при котором через светодиод проходит номинальный ток. Поэтому для задания через светодиод номинального тока между светодиодом и источником напряжения включается резистор R. Схема включения светодиода в цепь приведена на рис.1.29.

Рис 1.29 Схема включения светодиода в цепь

Сопротивление резистора определяется по выражению:

, где - номинальный ток через светодиод, - напряжение на светодиоде при номинальном токе, - напряжение питания.

Светодиод характеризуются следующими основными параметрами:

1. – номинальный ток. Величина номинального тока определяется изготовителем. При номинальном токе обеспечиваются установленные параметры по яркости свечения и сроку службы светодиода.

2. – прямое напряжение. Прямое напряжение – напряжение на светодиоде при номинальном токе через светодиод. Оно составляет от 1 до 3,5 В.

3. – максимальная рассеиваемая мощность.

4. – длинна волны излучаемой энергии. Светодиод излучает энергию в некотором диапазоне длин волн. Но максимум излучаемой энергии приходится на волну с длинной .

5. Спектральной характеристикой – зависимостью относительной излучаемой мощности от длинны волны. Примерный вид спектральной характеристики приведён на рис. 1.30.

Рис.1.30 Спектральная характеристика светодиода

6. Силой свет – .Светодиоды имеют силу света от десятков до тысяч мккд (микрокандел).

Сила света - физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин. Характеризует величину световой энергии, переносимой в некотором направлении в единицу времени. Сила света определяется: где – световой поток, а – телесный угол. Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (кд).

Светодиоды применяют для вывода информации в микроэлектронных устройствах, в качестве различного рода индикаторов, а также в качестве источников излучения в оптронах. В последние годы разработаны так называемые сверхяркие светодиоды, применяемые в качестве источников света в осветительных приборах.