Как работает светодиод?Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими. Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-пе-рехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Характеристики светодиодов Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная. На рис.8.3 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, 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.
Рис.8.3 Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 8.3). В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.
Рис.8.4 Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носителей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики. Длина волны На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм. Основные параметры светодиодов 1. Сила света IV – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд), и составляет десятые доли – единицы мкд. Кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником. 2. Яркость излучения равна отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки–сотни кд/см2. 3. Постоянное прямое напряжение – падение напряжения на диоде при заданном токе (2…4 В). 4. Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку. 5. Максимально допустимый постоянный прямой ток, составляет десятки мА и определяет максимальную яркость излучения. 6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы B). 7. Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 5.7). Время переключения tпер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезарядки барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода. 8. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод сохраняет свою работоспособность (–60…+70 °C). 9. Срок службы составляет 104…106 часов. Существенным недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры и продолжительности эксплуатации. С повышением температуры яркость и сила света уменьшаются, несколько увеличивается длина волны излучения. Это увеличение обусловлено тем, что с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника. Постоянное уменьшение мощности излучения (деградация) при длительном протекании через прибор прямого тока связано с увеличением концентрации центров безизлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов. Итак, характерными свойствами светодиодов является их высокая надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, масса, потребляемая мощность, возможность изготовления светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечения, совместимость с интегральными микросхемами. Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов
22.Фотоэлектронные приборы фотодиод, фоторезистор. Параметры.характеристики
|
излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации и в полупроводниках приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Поэтому 
, где h- постоянная Планка. Для светодиодов изготовленных из арсенида галлия 
