Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...
Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
Топ:
Характеристика АТП и сварочно-жестяницкого участка: Транспорт в настоящее время является одной из важнейших отраслей народного...
Теоретическая значимость работы: Описание теоретической значимости (ценности) результатов исследования должно присутствовать во введении...
Устройство и оснащение процедурного кабинета: Решающая роль в обеспечении правильного лечения пациентов отводится процедурной медсестре...
Интересное:
Берегоукрепление оползневых склонов: На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов...
Влияние предпринимательской среды на эффективное функционирование предприятия: Предпринимательская среда – это совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на функционирование фирмы...
Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...
Дисциплины:
2017-12-20 | 483 |
5.00
из
|
Заказать работу |
Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД, светодиод) – это прибор с одним или несколькими электрическими p-n -переходами, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения.
В полупроводнике (рис. 2.6, а) непрерывно происходят процессы тепловой генерации (переход I) и рекомбинации (переход II) свободных носителей заряда. Процесс рекомбинация может быть фононным или фотонным.
В ″обычных″ диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла без светового излучения (фононная рекомбинация). Название процесса (″ фотонная ″) связана с тем, что появляются частицы, называемые ″ фононы ″, характеризующие степень нагрева кристалла.
При фотонной рекомбинации за счет выделения энергии появляются, главным образом, оптические частицы – фотоны.
Другими словами, в светоизлучающих диодах световое излучение возникает за счет преобразования электрической энергии (источника) в электромагнитную (световую, инфракрасную) энергию за счет фотонной рекомбинации основных электронов и дырок, переходящих через p-n- переход при прямом смещении (рис. 3.1, а). В результате выделяются электромагнитные волны (свет), характеризуемые частотой n (длиной l).
В соответствии с частотным диапазоном генерируемого излучения различаются: инфракрасные излучающие диоды и светоизлучающие диоды ( светодиоды ), лазеры.
В лазерах (см. рекомендованную литературу) обычно излучение имеет относительно точное значение частоты n (длины волны l), например, l =555 нм (зеленый цвет). В отличие от лазеров, в том числе, лазерных диодов, излучение светодиодов характеризуется достаточно широкой полосой частот Dn в области некоторой частоты n0.
Человеческий глаз воспринимает излучение светодиодов как ″одноцветное″ (красное, синее и т.п.), однако, в реальности в спектре излучения светодиода, например, синего, могут присутствовать и другие, более длинноволновые цвета.
Принцип действия светодиодов основан на том, что на границе р-n -перехода образуется энергетический барьер (рис. 3.1), величина которого при возрастании степени легирования приближается к величине ширины запрещенной зоны D E з (эВ) материала полупроводника [1].
Рассмотрим принцип работы светодиодов. При включении светодиода в прямом направлении (рис. 3.11, а; рис. 3.1, а) через р-n -переход проходит большой ток. Этот ток обусловлен тем, что свободные носители заряда (основные электроны и дырки) инжектируются (переходят) через p-n -переход. Например (рис. 3.1, а), дырки из p+ -области, пройдя через переход, попадают в n+ -область и непосредственно вблизи границы ln перехода начинают рекомбинировать с основными носителями – электронами в n -области. Аналогично следует сказать и об электронах, инжектированных из n -области в p -область. Скорость рекомбинации носителей вблизи границ переходов (ln и lp) возрастает по мере увеличения прямого тока.
а) б) в) г)
Рис. 3.11. Схема измерения (а), ВАХ светодиодов (б, в) и мощности излучения (г)
В отличие от ″обычного″ диода, в котором энергия W ≈ D E з, выделяемая при рекомбинации, расходуется на нагрев прибора, в светодиоде энергия D E з переходит в энергию оптического излучения:
W ≈ D E з = E ф = h nф, (3.9)
где nф - частота, связанная с длиной lф волны и скоростью света с;
h - постоянная Планка; h = 6,63·10–34 Дж/с.
Как отмечено выше, частота nф (длина lф) волны излучения, энергия квантов E ф связаны с энергией, которая выделяется при рекомбинации (рис. 2.6, а) - с шириной запрещенной зоны D E з.
Поэтому возникает излучение той или иной длины (частоты) волны, зависящей от энергии, выделяющейся при межзонной рекомбинации, например:
D E з = h nф = hc /lф. (3.10)
Поскольку частота излучения nф, в первую очередь, связана со значением D E з, то для изменения спектра излучения СИД нужно выбирать соответствующий полупроводниковый материал, из которого будет изготовлен светодиод. При этом следует учитывать, что чем больше частота изучения, тем больше значение D E з, и, значит, тем больше значение U пр пред, определяемое по прямой ветви ВАХ (рис. 3.11, в). При сравнении светодиодов, имеющих различные спектры излучения, можно видеть, что по мере возрастания частоты излучения (n1 > n2 > n3) прямое напряжение на диоде возрастает.
Электрические и оптические свойства светодиодов взаимосвязаны. В частности, при сильном легировании областей p - и n -типа, прилегающих к p-n -переходу, контактная разность потенциалов Djк → D E з/ e ([Djк ] ≡ В; е – заряд электрона, е – 1,6·10–19 Кл). С другой стороны, при приближении прямого напряжения смещения U → Djк ток через прибор интенсивно возрастает. Именно, поэтому в пределе напряжение U пр пред (рис. 3.11, б, кривая 1) сравнимо со значением
U пр пред ≈ Djк ≈ D E з/ e. (3.11)
Таким образом, анализ вольтамперной характеристики светодиода, в частности, величины предельного напряжения U пр пред, позволяет с достаточной степенью точности оценить значение длины волны излучения:
lф = hc / D E з = hc / еU пр пред. (3.12)
Заметим, что значение lф, определяемое по соотношению (3.12) характеризует наиболее короткие длины волн, присутствующие в спектре, наряду с которыми имеются и более длинные волны. Этот факт можно проверить, используя для анализа излучения оптическую призму.
Вольтамперная и люкс-амперная характеристики излучения реального светодиода от прямого тока приведены на рис. 3.11, б, кривая 2; рис. 3.12, г, кривая 1.
В отличие от идеального p-n -перехода, вольтамперная характеристика которого описывается экспоненциальной зависимостью (рис.3.1, б, кривая 1; рис. 3.3, г, кривая 2), ВАХ реального светодиода (рис. 3.11, б, кривая 2; рис. 3.12, г, кривая 1) представляется функцией, которая в области больших напряжений и токов представляется линейной зависимостью, наклон которой зависит от особенностей структуры прибора (рис. 3.12, а), в том числе, сопротивления Rpn собственно p-n -перехода и сопротивлений Rp и Rn прилегающих слоев (рис. 3.12, б).
Именно падение напряжения на резисторах Rp и Rn характеризует линейность ВАХ в области больших напряжений (рис. 3.11, б, в; 3.12, г); в частности, наклон линии 2 - касательной к ВАХ реального светодиода (рис. 3.12, г), определяет суммарное сопротивление R = Rp + Rn:
R = Rp + Rn = D U /D I. (3.13)
Для определения значения U пр пред следует придерживаться следующего алгоритма. Определив экспериментальную ВАХ светодиода (рис. 3.12, г, кривая 1), необходимо провести к ней прямую касательную линию 2 в области больших напряжений (линейный участок). Параллельным переносом данную прямую линию можно перенести в начало координат, так что данная прямая линия (2*) характеризует ВАХ суммарного сопротивления R, определяемого по соотношению (3.13).
а) б) в) г)
Рис. 3.12. Вид (а), структура (б) светодиода, схема замещения (в), анализ ВАХ (г)
Вольтамперную характеристику идеализированной структуры p-n -перехода (рис. 3.12, г, кривая 3) следует построить путем вычитания значения абсциссы линии 2* от абсциссы кривой 1 (при фиксированном токе I), как показано на рис. 3.12, б. Построение кривой 3 дает возможность определить экспериментальное значение U пр пред, и путем дальнейшего расчета величины D Е з по (3.10), l по (3.12) и т.п.
Заметим, что увеличение прямого тока отдельного светодиода приводит лишь к возрастанию его яркости свечения (увеличению светового потока), но не меняет частоту излучения nф, т.е. цвет излучения остается постоянным, но визуально диод светит ″ярче″ - возрастает яркость излучения Е, лк. Отметим, что параметр яркость пропорционален мощности излучения, связанной, в свою очередь, с прямым током прибора.
Строение светодиодов
В зависимости от назначения излучающие диоды разделяются на полупроводниковые генераторы излучения ПГИ (излучатели) и полупроводниковые индикаторы ПИ.
ПГИ спонтанного и стимулированного излучения предназначены для использования в волоконно-оптических линиях передачи информации в составе оптоэлектронных пар. Мощность ПГИ спонтанного излучения непрерывного действия в ИК-диапазоне изменяется от 0,1 мВт до 500 мВт в зависимости от тока (в мощных ПГИ ток достигает 3 А).
В излучающих диодах, как правило, используются как гомопереходы (материалы одного типа), так гетеропереходы на основе различных соединений арсенида галлия, например, типа: область р -(AlxGa 1-x As) и область n + –(GaAs).
В светодиодах типа АЛС331 предусмотрена возможность ″изменения″ цвета свечения, воспринимаемого человеческим глазом. Принцип изменения цвета представлен на рис. 3.13. Конструкция предусматривает в одном корпусе два излучающих p-n -перехода, каждый из которых излучает в диапазоне длин волн, обычно в области красного (lкр ≈ 650 нм) и зеленого (lзел ≈ 555 нм) цветов. Соотношение их яркостей (интенсивностей) регулируется путем изменения величины прямых токов через переходы. В данном случае, меняя силу тока I пр через каждый p-n -переход, и, соответственно, регулируя интенсивность светового потока от каждого из переходов, можно в некоторых пределах изменять (²смешивать²) цветовую гамму общего светового потока. Однако подчеркнем, что этот процесс не связан с реальным изменением длины волны излучения, но обусловлен визуальным восприятием света человеческим глазом. Другими словами, при изменении тока, протекающего через два параллельных светодиода, происходит лишь визуальное (эмоциональное) изменение цветовой гаммы.
Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!