Читальный зал -->  Промышленная электроника 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 [ 31 ] 32 33 34 35 36 37 38 39 40

имеет структуру р-п-р-п и три р-п перехода, из которых крайние П\ и Пз включены в прямом направлении, а средний - Яг - в обратном. Величина напряжения на фототиристоре выбирается так, что при отсутствии светового потока он закрыт. В отличие от обычного тиристора напряжение включения фототиристора зависит не от тока управления, а от светового потока. Фототиристор устроен так, что свет падает на внутренние слои р2 ч п\, в которых за счет энергии фотонов происходит образование пар электрон - дырка. Дырки из области Пх переходят в область р2, а электроны - из области р2 в область 1 под действием об-

Генерация пар носителей / ф /

\ / /

-пр\ обр/ Unp

Рис. 3.25. Фототиристор: а - структура и схема включения; б - условное графическое обозначение; в - вольт-амперные характеристики

ратного напряжения на коллекторном переходе Яг. При этом возрастает ток через этот переход, следовательно, увеличивается ток / во внешней цепи. При определенной величине тока фототиристор включается. Чем больше световой поток Ф, тем меньше напряжение (Увкл, при котором включается фототиристор.

Вольт-амперные характеристики фототиристора аналогичны вольт-амперным характеристикам обычного тиристора (рис. 3.25, в), но каждая из них соответствует определенному постоянному значению светового потока:

/ = Д(/) при Ф = const.

При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивление фототиристора уменьшается от сотен мегаом до десятых долей ома; это происходит практически мгновенно - в течение миллионных долей секунды. Фототиристоры используют для коммутации электрических цепей большой мощнрсти при помощи световых сигналов.

Система обозначения фотоэлектронных приборов. Электровакуумные фотоумножители обозначают тремя буквами - ФЭУ - и числом, определяющим коли-

чество динодов во вторично-электронном умножителе; например, ФЭУ-1 -однокаскадный фотоумножитель, ФЭУ-18 - фотоумножитель многокаскадный, имеющий 18 динодов.

Полупроводниковые фотоэлектронные приборы имеют в системе обозначений четыре элемента:

первый элемент - две буквы, определяющие группу прибора по принципу действия: ФР - фоторезисторы, ФД - фотоэлектронные прибор,ы с р-п переходами, ФУ - приборы с р-п переходами и внутренним усилением;

второй элемент - буква, определяющая исходный материал, из которого изготовляется прибор: К - кремний, Г - германий;

третий элемент - число от 001 до 999 - порядковый номер разработки прибора;

четвертый элемент - буква, определяющая подгруппу прибора: Б - биполярный фототранзистор, У - полевой (униполярный) фототранзистор, Т - фототиристор.

Примеры обозначений: ФДК9 - фотодиод кремниевый, порядковый номер разработки 9, ФДК155 - то же, порядковый номер разработки 155.

Контрольные вопросы

1. На чем основан принцип действия фоторезистора?

2. Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотодиодном режиме, и его вольт-амперные характеристики.

3. Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотогальваническом режиме.

4. Нарисуйте и объясните световые характеристики фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом режиме и назовите его основные параметры.

5. Объясните принцип действия и вольт-амперные характеристики фототранзистора и фототиристора.

Глава 3.4. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

3.4.1. Устройство и принцип действия светодиода

Светоизлучающий диод (светодиод) - это полупроводниковый прибор с одним р-п переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.

Светодиоды предназначены для использования в устройствах визуального представления информации, а также в качестве све-тоизлучающего элемента в оптоэлектронных устройствах.

Принцип действия светодиода основан на излучении света р-п переходом некоторых полупроводников, вызываемом рекомбинацией электронов и дырок при прохождении прямого тока.

Светодиод имеет двухслойную структуру (рис. 3.26, а). Процессы, происходящие в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения и при прямом напряжении, такие же, как в обычном полупроводниковом диоде, но главную роль в светодиоде играют процессы рекомбинации, на рассмотрении которых следует остановиться подробно. Как известно, в собственных и примесных

полупроводниках наряду с генерацией электронно-дырочных пар (за счет поглощения дополнительной энергии) происходят обратные процессы - рекомбинации электронов и дырок с выделением квантов энергии.

В большинстве полупроводников, в том числе в германии и в кремнии, выделяемая при рекомбинации энергия в основном превращается в тепловую, а излучаемая энергия мала; излучение из-за малой ширины запрещенной зоны находится в невидимой части спектра. В этом случае рекомбинация носит название безызлучательной.

Рекомбинация ц

Зона проводимости

Занятые уровни

-Рекомбинация

фГТ Свбодныв уровни (дырни)

Валентная зона

° б

Рис. 3.26. Структура светодиода (а) и энергетическая диаграмма, поясняющая его принцип действия (б)

В некоторых полупроводниках, имеющих большую ширину запрещенной зоны AWs, например арсениде галлия (1,5 эВ), фосфиде галлия (2,2 эВ), карбиде кремния (2,5-3 эВ) и других, рекомбинация сопровождается выделением квантов света (фотонов), т.е. является излучательной.

При отсутствии внешнего напряжения на светодиоде интенсивность рекомбинаций настолько незначительна, что излучение р-п перехода не наблюдается. Обычно светодиоды изготовляют с несимметричным р-п переходом: концентрация дырок в р-области значительно превышает концентрацию электронов в п-области.

При включении источника прямого напряжения через р-п переход проходит большой ток за счет инжекции дырок из р-области в п-область. В результате п-область вблизи р-п перехода насыщается дырками, происходит интенсивная их рекомбинация с электронами, сопровождающаяся в рассматриваемых полупроводниках излучением света. Интенсивность излучения пропорциональна количеству носителей заряда, инжектированных через р-п переход. Поэтому светодиоды называют инжекционными. 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-п перехода очень мала, то прямой ток составляет обычно 5-100 мА.

Свечение, излучаемое р-п 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 (рнс. 3.26, б). Такое состояние неустойчиво, поэтому непрерывно происходит процесс обратного перехода электронов нз зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны, т. е. рекомбинация электронов и дырок. Выделяющаяся при этом энергия 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 запрещенной зоны AW; до величины AW; + 2bW, где 6tt- ширина заполненной части зоны проводимости и, соответственно, свободной части валентной зоны. В то же время выделяющийся при рекомбинации квант с энергией от AW до Atta -\-2bW 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 AW3-\-2bW.

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-п переходу слоев, а выделяется в пространство в виде фотонов лучистой энергии. Частота излучения соответствует энергии фотона в узком диапазоне - от А tt?, до А 4- 26 W.

Пусть энергия фотона равна энергии AW- Тогда /iv = AW, откуда

Учитывая, что длина волны А,=- , получим:

где с - скорость света; h - постоянная Планка.

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-п переходом при рекомбинации, не выходит из кристалла во внешнее пространство, а пре-

Линза

Рис. 3.27. Устройство светодиода: а - плоская конструкция; б - полусферическая конструкция; в - 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-п переход, называется квантовой эффективностью излучения, или квантовым выходом. 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 п-типа и р-типа, на которых имеются невыпрямляющие контакты для присоединения наружных выводов. Кристалл помещается в корпус с прозрачным окном, через которое от р-п 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-амперная характеристика имеет такой же вид, как для обычного полупроводникового диода, но используется только ее прямая ветвь (рис. 3.28, а):

/пр = /((/пр).

Отличается она большим падением напряжения на светодиоде

в прямом направлении (3-6 В) из-за большей ширины AW3.

Яркостная, или люкс-амперная, характеристика представляет собой зависимость яркости свечения В от проходящего через светодиод тока (рис. 3.28. б):

5 = /(/).

Начальный участок этой характеристики нелинейный: при токе меньше порогового / ор яркость свечения очень мала и медленно возрастает с увеличением тока (практически люминесцен-

I пр

Желтый Зеленый / Красный

0,4 0,5 О.б 0.7 Х.мнм

Рис. 3.28. Характеристики светодиода; а - вольт-амперная; б - яркостная;

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.

На линейном рабочем участке яркостной характеристики чувствительность по яркости во всех точках одинакова и определяет наклон рабочего участка характер ртики .ji, горизонтальной оси.

Спектральная характеристика светодиода - это зависимость яркости излучения от длины волны надучаемого света (рис. 3.28, в). По вертикальной оси обычно откладывают относительную яркость В/Вмакс 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-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 [ 31 ] 32 33 34 35 36 37 38 39 40

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.