Тема 2. Светодиоды. Фотодиоды.

На основе явлений, происходящих в p–n-переходе при протекании через него прямого тока, можно получать полупроводниковые приборы, способные генерировать оптическое излучение. Такими приборами являются полупроводниковые светодиоды.

Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т.е. генерации оптического излучения в p–n-переходе, находящемся под прямым внешним напряжением. Под воздействием внешней энергии электроны в атомах переходят в возбужденное состояние с более высоким уровнем энергии W2, называемым метастабильным уровнем возбуждения. При возвращении этих электронов с метастабильного уровня W2 на исходный W1 происходит испускание фотонов с длиной волны, определяемой соотношением λ= 1,23(W2 – W1).

К преимуществам полупроводниковых светодиодов относятся высокий по сравнению с лампами накаливания КПД, относительно узкий спектр излучения и хорошая диаграмма направленности, высокое быстродействие и малое напряжение питания. Все это обеспечивает удобство согласования с интегральными микросхемами, высокую надежность, долговечность и технологичность. Спектр излучения, а, следовательно, и его цвет зависит от используемого полупроводникового материала. Светодиоды изготовляют не на основе кремния или германия как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Яркость свечения пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер достаточно для отчетливой индикации. Светодиоды изготовляют в виде отдельных индикаторов и в виде семисегментных или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок – сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать не только изображение цифры, но и любого индицируемого знака (буквы, специального символа и т.д.).

Фотодиоды. Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод (см. рис. 1.8, а), в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–п-переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком. Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях. КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 , соответственно.

Рисунок 1.7 Схема включения (а) и ВАХ (б) фотодиода в фотопреобразовательном режиме

I

Rн

U

+

I

E

U

Ф =0

Ф 1 >0

Ф2>0

а )

б)

U0U1U2

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1.7, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1.7, б). Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10…30 мкА, у кремниевых 1…3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а, следовательно, и чувствительность значительно возрастут.

мА

I Ф

Ф

U

IФ

Ф1=0

Ф2> Ф1

Ф3> Ф2

a)

б)

в )

г )

Рисунок 1.8. Схема включения (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

R

Е

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 –300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз). Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 1.8), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр £ 10-16кГц), что ограничивает их применение.

Тема 3. Оптроны

1

2

Рисунок 1.7. Оптрон; 1 – светодиод; 2 – фотодиод

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются оптронами (рис. 1.9). Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных методов повышения помехоустойчивости аппаратуры.

В качестве приемников в оптронах применяются также фоторезисторы, фототранзисторы и фототиристоры.

В настоящее время широко используются оптоэлектронные ИМС – одна или несколько оптопар с дополнительными схемами согласования и усиления.

Оптроны[8] успешно используются вместо импульсных трансформаторов, реле, переключателей, переменных резисторов и др. компонентов, имеющих механические перемещающиеся контакты и плохую совместимость с ПП и микроэлектронными приборами.

 

Вопросы для самопроверки:

1. Какие критерии положены в основу деления вещества на проводники, полупроводники и диэлектрики

 2. Собственная электропроводность полупроводников.

3. Объяснить механизм примесной проводимости полупроводников n-типа.

4. Объяснить механизм примесной проводимости полупроводников p-типа.

5. Объяснить образование и принцип действия электронно-дырочного (p-n) перехода полупроводников.

6. Виды пробоя p-n – перехода, их причина и последствия. Емкость и сопротивление p-n- перехода.

7. Чем отличаются дрейфовый и диффузионный токи p-n- перехода?

8. Как влияет на величину потенциального барьера прямое и обратное напряжение на p-n- переходе? Какие процессы при этом происходят?

9. Объяснить устройство полупроводниковых диодов и принцип выпрямления ими переменного тока.

10. Начертить вольтамперную характеристику полупроводникового диода и пояснить его основные параметры, показав их на характеристике

11. Стабилитрон: определение, условно-графическое обозначение, характеристики, параметры и назначение.

12. Туннельный диод: определение, условно-графическое обозначение, характеристики, параметры и назначение.

13. Варикап: определение, условно-графическое обозначение, характеристики, параметры и назначение.

14. Светодиод, Фотодиод: определение, условно-графическое обозначение, характеристики, параметры и назначение

15. Оптроны: определение, условно-графическое обозначение, параметры, принцип действия, применение.

 

 

II. Задания для практической работы №1