Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 17
а)
Рис. 14. Оптопара АОТ127В схема: а) – расположения выводов; б) – соединения электродов с выводами и внешним резистором
контакты
n
p
а)
полимер
ловушка
Зона
проводимости
излучательный переход
свободные уровни
W
занятые уровни
ловушка
свободные уровни
k
занятые уровни
0
0
Валентная
зона
hνdv
безизлучательные переходы
k
Wv
Wc
в)
г)
б)
а)
Рис. 13. Условные обозначения светодиодных оптопар: а) фоторезисторная, б) фотодиодная, в) фототранзисторная, г) фототиристорная
DD2
вход
R2 0.1М
Uост
&
R3 1к
+5В
&
R1 330
+5В
б)
выход
R4 4.7к
π/a
Iвых
VU1
Iвх
–π/a
DD1
DW
DD1
Рис. 6. Зависимости энергии электрона от волнового вектора в
непрямозонном полупроводнике
DD2
&
R2 1к
W
+5В
&
R1 330
+5В
a)
выход
DA1
Iвых
VU1
Iвх
вход
Рис. 12. Схема включения оптопар: а – диодной, б – транзисторной. DD1, DD2 – интегральные ТТЛ схемы, DA1 – усилитель-формирователь импульсов
Ф
Рис. 11. Структурная схема оптопары
оптический канал
излучатель
фотоприемник
I→Ф
Ф→I
Iвх
Iвых
Зона
проводимости
D
C
г)
E
G
F
A
B
в)
HG АЛС348А
DC
A
B
C
D
E
F
G
D0
D1
D2
D3
DD1 К514ИД1
&
Rб
330
+5В
VD1
АЛ307А
б)
а)
Rб
330
+5В
VD1
АЛ307А
Рис. 10. Схема включения светоизлучающих диодов
0
Iν, мкд
j, А/см2
Рис. 9. Зависимость силы света светодиода Iν от плотности тока j
0
ηвнутр
j, А/см2
Рис. 8. Зависимость внутреннего квантового выхода ηвнутр от плотности тока j
Рис. 7. Конструкция светодиодов: а – плоская планарная, ηe = 1.3%; б - усеченный конус, ηe = 20%; в – полусферическая, ηe = 37%; г – плоская планарная с полусферическим покрытием, ηe = 37%;
контакты
г)
Ф
4
R 1M
3
1
6
5
6 5 4
1 2 3
анод светодиода катод светодиода
ключ
база коллектор эмиттер
б)
в)
Ф
n
p
Ф
б)
Ф
излучательные переходы
свободные уровни
W
занятые уровни
ловушка
свободные уровни
k
занятые уровни
0
0
hνdv
Валентная
зона
hνcv
безизлучательный переход
k
Wv
Wc
π/a
–π/a
DW
Рис. 5. Зависимости энергии электрона от волнового вектора в
прямозонном полупроводнике
W
1
hν1
2
Wd
1
hνca
2
hνdv
в
Wа
hνсv
б
Wv
Wc
а
DW
Рис. 4. Схема излучательных переходов в полупроводниках: а – межзонный, б – с уровня донора в валентную зону, в – из зоны проводимости на уровень акцепторов
hν
барьер для дырок ψp−qU)
hν
n
p
U
+
–
pр
nn
p–n-переход
база, p-типа
dпр
эмиттер n+-типа
E=Eк+Eвн
WF
Wvр
Wcр
np
pn
DWn
барьер для электроновψn−qU
Рис. 3. Зонная диаграмма прямосмещенного p–n-гетероперехода
W0
yp
DWp < DWn
Рср > Рсn
εp ≠ εn
Рср
pр
nn
dp
p–n-переход
база, p-типа
dn
Рсn
эмиттер n+-типа
Eк
WF
Wvр
Wcр
np
pn
DWn
DWp
yn
Рис. 2. Зонная диаграмма несимметричного p–n-гетероперехода с эмиттером электронов в состоянии термодинамического равновесия
hν
Lp
Ln
hν
dпр
p–n-переход
база
p-типа
эмиттер
n+-типа
E=Eк-Eвн
WF
Wv
Wc
np
pn
DW
qe(φ0-U)
Рис. 1. Зонная диаграмма прямосмещенного p–n-перехода
U
+
–
ЛЕКЦИЯ 14. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Светоизлучающими диодами (светодиодами) называются полупроводниковые приборы с p–n-переходом, предназначенные для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптического излучения. В основе принципа их действия лежит рекомбинационное излучение – излучение квантов света (фотонов) при рекомбинации пар электрон – дырка. Для интенсивной рекомбинации необходимо одновременно иметь высокую плотность электронов в зоне проводимости и высокую плотность свободных уровней (дырок) в валентной зоне. Такие условия создаются при высоком уровне инжекции электронов в дырочный полупроводник.
Зонная диаграмма прямосмещенного p–n-перехода с эмиттером электронов представлена на рис. 1. При прямом смещении p–n-перехода внешнее поле Eвн (возникшее за счет падения части напряжения источника питания U на p–n-переходе) частично компенсирует контактное Eк. Энергия электронов в области эмиттера n+-типа увеличивается, уровень Ферми WF поднимается, высота потенциального барьера уменьшается qe(φ0-U) и наблюдается высокий уровень инжекции электронов в базу р-типа. Электроны в базе являются неосновными носителями и создают неравновесный заряд, сосредоточенный вблизи границы p–n-перехода на расстоянии порядка средней длины диффузии электронов в базе Ln. Для сохранения электрической нейтральности из глубины базы подтягиваются дырки. Таким образом, вблизи границы p–n-перехода создается избыточная концентрация электронов и дырок, что приводит к их интенсивной рекомбинации с испусканием квантов света hν.
Однако через прямосмещенный p–n-переход диффундируют не только электроны, но и дырки из p-области. Это приводит к увеличению рекомбинации электронов и дырок в p–n-переходе и в эмиттере и снижению концентрации электронов в базе. Кванты света, возникающие в глубине полупроводника, частично поглощаются в полупроводнике, что снижает квантовый выход. Поэтому необходимо уменьшить дырочный ток через p–n-переход, используя эмиттеры с коэффициентом электронной инжекции γn = In/(In+Ip), где In – электронный, Ip – дырочный ток, близким к единице.
Идеальным эмиттером (γ = 1) является гетеропереход. Зонная диаграмма гетероперехода с эмиттером электронов в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис. 2. Гетеропереход образуется между двумя полупроводниками, имеющими разные электрофизические свойства: разную энергию сродства к электрону Pc, ширину запрещенной зоны DW и диэлектрическую проницаемость ε. Для изготовления гетероперехода необходимо правильно подобрать пару контактирующих материалов. Они должны иметь кристаллическую решетку с одинаковой структурой и близкими постоянными кристаллической решетки а (отличие не более 0.5%) и коэффициентами температурного расширения α. Материал эмиттера по сравнению с материалом базы должен быть более широкозонным и иметь меньшую энергию сродства к электрону. Поэтому гетеропереход с инжекцией электронов имеет DWp < DWn, Рср > Рсn и εp ≠ εn как показано на рис. 2. При этом уровни энергии Wc и Wv имеют разрыв на металлургической границе (непрерывная вертикальная линия), а потенциальные барьеры для электронов yn и дырок yp оказываются разными. Разница в высоте потенциальных барьеров Δψ = yp–yn = DWn–DWp.
В прямо смещенном гетеропереходе (рис. 3) при высоком уровне инжекции электронов, за счет Δψ дырочный ток практически равен нулю и γn = 1, что характерно для идеальных эмиттеров. В базе вблизи гетероперехода создастся большая (по сравнению с гомопереходом) инверсная заселенность энергетических уровней и квантовый выход инжекционной электролюминесценции повышается. Поэтому в современных светодиодах, как правило, используются гетеропереходы.
Излучательные квантовые переходы в светодиодах происходят спонтанно, независимо друг от друга и в разные моменты времени, поэтому излучение является некогерентным. Спектр излучения светодиодов является широким.
При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов) в базовую р-область полупроводника. Вблизи границы p–n-перехода создается избыточная (неравновесная) концентрация электронов и дырок. Происходят процессы их рекомбинации, сводящиеся к переходу электронов из зоны проводимости в валентную зону на имеющиеся там свободные уровни. Возможные пути рекомбинации показаны на энергетической диаграмме рис. 4. Здесь изображены уровни энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wv, уровень энергии донорной примеси Wd и уровень энергии акцепторной примеси Wa. Переход электрона с нижнего уровня зоны проводимости на верхний уровень валентной зоны называется межзонной рекомбинацией (рис. 4,а). Разность энергии ΔW = Wc − Wv выделяется в виде кванта электромагнитного излучения – фотона hνcv = ΔW, где h = 6.626∙10–34 Дж∙с –постоянная Планка (излучательная рекомбинация), либо передается решетке в виде кванта тепловых колебаний – фонона (безизлучательная рекомбинация). Однако процесс прямой межзонной излучательной рекомбинации маловероятен. Для его осуществления электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Кроме того, должен выполняться закон сохранения импульса, т.е. излучательная рекомбинация может произойти, если и электрон, и дырка имеют одинаковые, но противоположно направленные импульсы.
Переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону могут происходить через энергетические уровни, расположенные внутри запрещенной зоны (рис. 4,б,в). Это могут быть донорные или акцепторные уровни, достаточно удаленные от краев запрещенной зоны (Wc − Wd >> kT, Wa − Wv >> kT, где k = 0.862·10−4 эВ/К постоянная Больцмана, при Т = 293 К, kT ≈ 25 мэВ).
Атомы акцепторов и ионы доноров, способные захватывать, удерживать и отдавать электроны, называют центрами захвата или рекомбинационными ловушками.
Процесс рекомбинации через ловушки происходит в два этапа:
− на первом этапе электрон из зоны проводимости захватывается незанятым уровнем донорной примеси, а на втором происходит переход электрона с донорного уровня на свободный уровень в валентной зоне (нейтрализация дырки) с излучением фотона hνdv = Wd − Wv < ΔW или образованием фонона (рис. 4, б);
−на первом этапе происходит переход электрона из зоны проводимости на незаполненный уровень акцепторной примеси с излучением фотона hνса = Wс − Wа < ΔW или образованием фонона, а на втором – переход захваченного электрона на свободный уровень в валентной зоне (нейтрализация дырки) (рис. 4, в).
Вероятность захвата и длительность удержания зависят от глубины залегания уровней ловушек. Рекомбинационными ловушками могут быть также любые дефекты в кристаллах: примесные атомы или ионы, незаполненные узлы в решетке, дислокации и другие несовершенства объема или поверхности.
Двухступенчатый процесс релаксации более вероятен, т.к. он не требует одновременного присутствия в данной точке электрона и дырки. Ловушка воспринимает количество движения, необходимое для соблюдения закона сохранения импульса и часть энергии (Wc − Wd, Wa − Wv), освобождаемой в процессе рекомбинации.
Рассмотренные процессы перехода электронов из зоны в зону могут происходить и в обратном направлении (генерация электрон – дырочных пар или внутренний фотоэффект) с поглощением фотонов той же или большей энергии, что и излучаемых при рекомбинации.
В кристалле полупроводника электроны движутся в поле периодического электрического потенциала кристаллической решетки. Допустим, в некотором направлении х атомы, а следовательно, и периодический потенциал повторяются с частотой, соответствующей периоду решетки а. Электрон, движущийся в направлении х, может иметь различные значения волнового вектора kx и импульса рх = ħkx, за исключением
kx = ±(π/a)n, (1)
где n = 1, 2, 3 …, и соответственно, импульса рх =±(ħπ/a)n, при которых длина волны де Бройля λ = 2π/k оказывается кратной периоду решетки nλ = 2a. Это значит, что величины энергии, соответствующие значениям kx = ±(π/a)n являются запрещенными. Зона проводимости разделяется на ряд зон (зон Бриллюэна) разрешенных значений энергии.
В обычных условиях зона проводимости является частично заполненной зоной, в которой электроны занимают уровни, расположенные вблизи дна зоны. Эти уровни будут соответствовать самым нижним уровням первой зоны Брилллюэна (|kx| << ±π/a). В этой области, при малых значениях импульса электрона, энергия электрона описывается зависимостью, аналогичной зависимости W(p) свободного электрона:
. (2)
Кривая зависимости энергии электрона от волнового вектора W(k) показана на рис. 5. Аналогично может быть построена кривая зависимости энергии электрона от волнового вектора в валентной зоне. Как и в предыдущем случае, интерес представляют самые нижние уровни первой зоны Бриллюэна, т.е. уровни вблизи верха валентной зоны. Именно здесь находятся свободные уровни, которые интерпретируются как дырки (рис. 5).
Из рис. 5 можно видеть, что запрещенная зона полупроводника представляет собой зазор между экстремумами двух параболических кривых (2) первых зон Бриллюэна.
Мы рассмотрели одномерную задачу. В реальном трехмерном кристалле электрон может двигаться в произвольном направлении, при этом картина зон Бриллюэна получается более сложной. Картина усложняется и за счет того, что в разных кристаллах зоны проводимости и валентная образуются расщеплением различных уровней оболочек атомов. Сложная зависимость энергии от импульса приводит к тому, что положение экстремума (минимума или максимума) функции W(k) может быть сдвинуто относительно нулевого значения k. Кроме того, оказывается возможным наличие нескольких экстремумов в зоне Бриллюэна, причем минимум, смещенный относительно k = 0, может быть более глубоким, т.е. соответствует меньшему значению энергии по сравнению с минимумом, находящимся в точке k = 0 (рис. 6).
Различают прямые и непрямые переходы электронов из зоны в зону. Прямые переходы (прямая межзонная рекомбинация) совершаются практически без изменения импульса электрона и могут сопровождаться выделением фотона (рис. 5). Прямые переходы возможны в прямозонных полупроводниках, когда экстремумы расположены один над другим ( в точке р = 0). Строго говоря, прямой переход сопровождается отдачей импульса фотона р = hν/c. Однако этот импульс настолько мал, что считают, что переход электрона из зоны в зону происходит без изменения импульса.
(Прямой переход электрона из зоны в зону происходит без изменения импульса, т.е. без изменения вектора скорости движения. Следовательно, при прямом переходе изменяется лишь потенциальная энергия электрона. Кинетическая энергия электрона (2) остается постоянной).
В непрямозонных полупроводниках (рис. 6) происходит переход с изменением импульса электрона в результате взаимодействия электрона с решеткой. Непрямой переход всегда заканчивается выделением энергии в виде фононов (элементарных квантов тепловых колебаний кристаллической решетки). Импульс фонона определяется относительным положением минимумов первых зон Бриллюэна в зоне проводимости и в валентной зоне. Ракомбинация без излучения фотона называется безизлучательной рекомбинацией. В непрямозонных полупроводниках возможны излучательные переходы с предварительным захватом электрона рекомбинационной ловушкой. Рекомбинационные ловушки являются своеобразным посредником, получающим от электрона и передающим решетке импульс фонона (рис. 6).
Кремний и германий являются пепрямозонными полупроводниками. Для них характерными являются непрямые переходы и безизлучательная рекомбинация на примесных центрах.
Спектральная характеристика светоизлучающих диодов выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения прибора. Обычно излучение светодиодов является монохроматическим. Ширина максимума спектральной характеристики излучения по уровню 0,5 составляет Δλ = 0.03÷0.05 мкм. Длина волны излучаемого света λ определяется разностью энергий ΔE двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации
λ = hc/ΔE, (3)
где h = 6.626·10–34 Дж·с = 4.14·10−15эВ·с – постоянная Планка,
с = 2.998·108 м/c – скорость света.
Величина ΔE близка к энергетической ширине запрещенной зоны полупроводника (ΔE ≤ ΔW). Чтобы кванты света – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света (0.4 < λ < 0.7 мкм), ширина запрещенной зоны должна быть относительно большой (ΔW > 1.8 эВ).
В настоящее время для изготовления светоизлучающих диодов используются кристаллы соединений типов АIIIВV (элементов III и V групп таблицы Менделеева) табл. 1:
– арсенид галлия GaAs, ΔW = 1.42 эВ, максимум излучения лежит в инфракрасной области λ = 0.89 мкм;
– фосфид галлия GaР, ΔW = 2.27 эВ, максимум излучения в зеленой области спектра λ = 0.55 мкм;
– нитрид галлия GaN, который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны ΔW = 3.4 эВ, что позволяет получать излучение в синей области, вплоть до фиолетового.
Тройные соединения GaAsx–1 Px и GaAsx–1 Alx, где x – концентрация фосфора или алюминия, используют, в основном, для получения диодов красного цвета свечения. Кроме того, находят применение и другие широкозонные полупроводники, например, карбид кремния SiC (AIVBIV) свечение в диапазоне λ = 0.56÷0.63 мкм, сульфид цинка ZnS (AIIBVI) ΔW = 3.74 эВ, максимум спектрального распределения излучения на длине волны λ = 0.38 мкм (фиолетовая часть спектра).
Диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами излучения с длинами волн λ = 0.55 мкм и λ = 0.70 мкм. В зависимости от вида и количества легирующих примесей (цинк, кислород или азот) внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, изменяются соотношения между этими максимумами. В результате получают диоды зеленого, желто-оранжевого или красного цвета свечения.
Арсенид галлия GaAs является прямозонным полупроводником. В прямозонных полупроводниках могут происходить как излучательные, так и безизлучательные рекомбинации. Соотношение между излучательными и безизлучательными рекомбинациями характеризует внутренний квантовый выход η, который является важнейшим показателем светоизлучающего диода:
ηвнутр = Nизл/ Nинж, (4)
где Nизл – число излученных фотонов, а Nинж – число инжектированных носителей в единицу времени.
Внутренний квантовый выход определяется соотношением концентраций и сечений захвата центров излучательной и безизлучательной рекомбинации. Поэтому в окрестности p–n-перехода стремятся снизить количество дефектов кристаллической решетки и нежелательных примесей с тем, чтобы уменьшить скорость безизлучательной рекомбинации.
Фосфид галлия является непрямозонным полупроводником. В тройных соединениях GaAsP отношение прямых и непрямых переходов уменьшается с увеличением концентрации фосфора. Основной вклад в излучательную рекомбинацию вносит рекомбинация через примесные центры.
Основными легирующими соединениями в светодиодах на основе соединений АIIIВV являются:
– элементы II группы Zn и Mg – акцепторы;
– элемент V группы N – изоэлектронная примесь;
– элементы VI группы S, Se, Te – доноры;
– комплексы Zn-O, Cd-O, которые играют роль глубоких ловушек для электронов.
На первой ступени акта рекомбинации (переход электрона из зоны проводимости на донорный уровень или переход с акцепторного уровня в валентную зону) изменяется волновой вектор электрона. Ионы доноров или акцепторов являются своеобразными посредниками, получающими от электрона и передающими решетке импульс фонона. Благодаря этому становятся возможными излучательные переходы с донорного или акцепторного уровней (рис. 4 и 6). Следует отметить, что рекомбинация через примесные центры характеризуется меньшей величиной энергии фотона (сдвиг в красную область спектра), чем при прямом межзонном переходе. При этом характерно, что энергия фотона при рекомбинации донор – свободная дырка в n-полупроводнике (рис. 4, б) обычно больше, чем акцептор – свободный электрон в p-полупроводнике (рис. 4,в). Причина состоит в том, что глубина залегания донорных уровней обычно меньше, чем акцепторных.
В видимой области спектра внутренний квантовый выход ηвнутр у диодов с гомопереходом составляет единицы процентов, у диодов с гетеропереходом – может составлять единицы – десятки процентов.
К числу важных параметров светодиода относится внешний квантовый выход
ηвнеш = ηвнутр·ηповерх, (5)
где ηповерх – коэффициент вывода света во внешнюю среду. На величину ηповерх оказывают влияние ряд факторов:
Поглощение света полупроводником. В полупроводниках с прямыми переходами имеет место высокий коэффициент поглощения, поэтому глубину залегания p–n-перехода уменьшают до 1÷2 мкм. Другой способ повышения ηповерх – вывод света через n-область (рис. 7, а). При этом n-область легируют значительно сильнее, чем p-область, вследствие чего излучательная рекомбинация инжектированных носителей происходит в p-области. Глубина залегания акцепторного уровня Wа больше, чем донорного Wd и энергия фотонов hνса = Wс − Wа оказывается меньше, чем hνdv = (Wd − Wv) и ΔW.
Отражение излучения от границы раздела полупроводник-воздух. Полупроводниковые материалы имеют высокий коэффициент преломления n = 3.3÷3.6. Наружу может выйти только то излучение, которое падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического Θкрит = arcsin n–1. Для фосфида галлия GaP этот угол составляет Θкрит = 17.7º. С целью увеличения критического угла кристаллы полупроводника заливают полимерными компаундами с большим показателем преломления (n = 1.5÷2.0). Высокое значение коэффициента вывода света можно получить, если придать кристаллам полупроводника (путем шлифования) специальную форму (рис. 7,б и в). Для уменьшения поглощения света и стоимости изделия p–n-переход изготавливают по планарной технологии и покрывают прозрачным полимерным полусферическим (или параболическим) покрытием (рис. 7,г).
Работа некоторых светоизлучающих приборов основана на двойном преобразовании энергии: электрической энергии в инфракрасное излучение и преобразование его в видимый свет. Преобразование в видимый свет происходит при возбуждении антистоксовского люминофора (λизлучения < λпоглощения), покрывающего излучающую поверхность ИК диода (GaAs).
Характеристикой диода как источника света является зависимость силы света Iν от прямого тока (световая характеристика). Сила света Iν – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (кд).
Сила света диода пропорциональна числу актов излучательной рекомбинации в единицу времени (пропорциональна произведению квантового выхода (5) на полное число актов рекомбинации. На рис. 8 и 9 представлены зависимости внутреннего квантового выхода ηвнутр и силы света Iν от плотности прямого тока j для GaP диодов. При малых значениях j происходит, в основном, безизлучательная рекомбинация носителей на примесных центрах в области p–n-перехода. Вследствие этого ηвнутр при малых токах невелик и резко возрастает с увеличением инжекции носителей и их рекомбинации на центрах излучательной рекомбинации. При дальнейшем увеличении плотности тока имеется почти линейный участок световой характеристики Iν(j), протяженность которого определяется изменением силы света светодиода в пределах одного – двух порядков (ηвнутр ≈ const). При больших значениях j нарушается пропорциональная зависимость между силой света и плотностью тока вследствие заполнения излучательных центров, которые образовались при введении в полупроводник акцепторной, донорной или изоэлектронной примеси.
Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10–8с после подачи импульса прямого тока.
Для маркировки светоизлучающих приборов российского производства приняты две системы обозначений. Покажем их на примерах:
АЛС338Б (3ЛС338Б)
А – (или цифра 3) материал полупроводника (GaAs или GaP, GaAsP и т.д.);
Л – светоизлучающий диод;
С – матрица из светодиодов (например, цифровой индикатор из семи сегментов);
338 – порядковый номер разработки;
Б – группа. (А, Б, В, Г … – диоды одного типа, но различающиеся по некоторым параметрам).
КИПД05А-1К
К – прибор широкого (общепромышленного) назначения;
И – индикатор;
П – полупроводниковый;
Д – единичный светодиод (или М – для мнемонических табло, Т - линейная шкала из диодов, Ц – знакосинтезирующий индикатор;
05 – номер разработки;
А – группа (А, Б, В …);
1 – число диодов в индикаторе;
К – красный (или Л – зеленый, Г – голубой, Ж – желтый, Р – оранжевый, С – синий, М – многоцветный).
Основными параметрами светоизлучающих диодов являются:
Сила света Iv – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении максимального излучения. Указывается при заданном значении прямого тока Iпр, мА и измеряется в милликанделах (мкд);
Яркость L – величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (для мнемонических и многосегментных индикаторов). Указывается при заданном значении прямого тока Iпр, мА и измеряется в кд/м2.
Мощность излучения (для излучающих диодов ИК-диапазона). Указывается при заданном значении Iпр, мА и измеряется в милливаттах (мВт);
Постоянное прямое напряжение Uпр, В – значение напряжения на светодиоде при протекании заданного прямого тока;
Максимум спектрального распределения λmax, мкм – длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики светодиода;
Спектральная характеристика светодиода – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света (представляется графически);
Световая (яркостная) характеристика – зависимость силы света от прямого тока (представляется графически);
Диаграмма направленности – снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведется наблюдение (излучение может быть узконаправленным или рассеянным);
Вольтамперная характеристика – аналогична характеристике обычного диода;
Зависимость силы света от температуры (в интервале рабочих температур Iv может меняться в 2÷3 раза, с повышением температуры сила света уменьшается);
Светоизлучающие диоды имеют большой разброс параметров от образца к образцу. Изготовителем указываются крайние значения параметров, являющиеся критерием годности при их производстве.
Предельно допустимые режимы эксплуатации – указываются максимальные значения прямого тока Iпр, max, мА, обратного напряжения Uобр, max, В и др. параметры, при которых обеспечивается заданная надежность работы прибора.
Условное обозначение светодиода приведено на рис. 10.
Светодиоды в основном применяются как элементы индикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряжения питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний.
Линейные шкалы (столбики из светодиодов) служат для отображения непрерывно изменяющейся информации – уровня звукового сигнала, уровня горючего в баке и т.д. Достоинства – наглядность отображения и быстрота восприятия информации.
Цифро-буквенные индикаторы используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Наиболее часто используются индикаторы имеющие 7 сегментов на десятичный разряд (рис. 10,г).
Инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды) применяются в оптических каналах передачи информации (дистанционный пульт управления телевизора), линиях, требующих гальванической развязки, датчиках систем автоматики, охранной сигнализации и т.д. Излучение ИК-диода не может быть воспринято человеческим глазом, и регистрируется обычно фотодиодом или фототранзистором.
Ввиду нелинейности вольтамперной характеристики (резкого возрастания прямого тока при прямом напряжении выше 2÷3 В) светодиоды всегда подключают к источнику питания через балластное сопротивление (рис. 10,а,б), величина которого может быть найдена из соотношения
Rб = (Е–Uпр)/Iпр. (6)
Обычно информация, предназначенная для отображения цифровым или шкальным индикатором, поступает в двоичном коде. Для преобразования ее в натуральный для шкал или 7-сегментный код используются микросхемы – дешифраторы (рис. 10,в). Некоторые типы дешифраторов имеют токовые выходы (создают заданную величину тока, независимо от величины падения напряжения на диоде). В этом случае светодиоды индикатора можно подключать к выходам дешифратора без балластных резисторов (рис. 10,в).
Комбинацией опто и фотоэлектронных приборов является оптопара (оптрон). Структура оптопары приведена на рис. 11. В ней входной электрический сигнал Iвх преобразуется в оптический сигнал Ф, в качестве преобразователя обычно используют светодиод или полупроводниковый лазер (излучатель). Оптический сигнал Ф распространяется через оптический канал. Канал может быть открытым (вакуум, газ или жидкость) и закрытым (оптический световод). На выходе оптического канала имеется фотоэлектронный преобразователь – фотоприемник (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор) в котором оптический сигнал Ф преобразуется в электрический Iвых. Двойное преобразование входного сигнала I→Ф и Ф→I позволяет получить практически идеальную гальваническую развязку входного и выходного сигналов, невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным помехам, однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход и широкую полосу пропускания. К недостаткам оптопар следует отнести нелинейность их проходных характеристик, низкий КПД, температурную зависимость параметров, и высокий уровень собственных шумов.
В диодной оптопаре (рис. 12,а, 13,а) излучателем служит инфракрасный светодиод на основе арсенида галлия, фотоприемный элемент – фотодиод на основе кремния. Максимум спектральной характеристики GaAs светодиода расположен около λmax ≈ 1 мкм. При облучении фотодиода инфракрасным светом с λ ~ 1 мкм в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок (внутренний фотоэффект). Интенсивность генерации пропорциональна силе света и, следовательно, входному току оптопары (току через светодиод). Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем p–n-перехода фотодиода и заряжают p-область положительно, а n-область отрицательно. На выходных клеммах оптопары появляется фото-ЭДС Uхх. Описанный режим работы оптопары называется фотогенераторным режимом. Передаточная характеристика оптопары в фотогенераторном режиме нелинейна: при увеличении входного тока фото-ЭДС приближается к контактной разности потенциалов на p–n-переходе Uхх ≤ 0.5÷0.6 В.
Оптроны обычно используются в фотодиодном режиме (рис. 12,а). К фотодиоду оптопары прикладывают обратное напряжение Uобр > 0.5 В. Электроны и дырки, генерируемые излучением, увеличивают обратный ток I0 p–n-перехода:
Iвых = I0 + Iфототок ≈ Iфототок.
Передаточная характеристика в фотодиодном режиме Iвых = f(Iвх) практически линейна. Коэффициент передачи по току диодных оптопар
KI = Iвых/ Iвх (7)
составляет единицы процентов и примерно равен значению внешнего квантового выхода светодиода.
В транзисторной оптопаре (рис. 12,б, 13,в) светодиод конструктивно расположен так, что излучение направляется в базовую область фототранзистора. При отсутствии света в цепи коллектора фототранзистора протекает ток Iтем ≈ h21э Iко, где Iко – обратный ток p–n-перехода база-коллектор.
Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с сопротивлением 0.1÷1.0 МОм. При облучении светом в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны втягиваются в область коллектора полем обратносмещенного перехода база-коллектор. Дырки остаются в базе и увеличивают ее потенциал, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Соотношение между фототоками коллектора Iвых и базы
Iвых = h21э Iф.б, (8)
где h21э – коэффициент передачи тока базы транзистора (h21э ≈ 102), Iф.б – генерируемый излучением фототок в базе транзистора (дырочная составляющая фототока).
Фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Коэффициент передачи по току транзисторных оптопар KI = Iвых/ Iвх имеет величину порядка единицы. Передаточная характеристика транзисторной оптопары Iвых = f(Iвх) нелинейна. Транзисторные оптопары применяют обычно в ключевом режиме для передачи импульсных сигналов рис. 12,б.
Транзисторные оптопары используют для гальванической развязки логических цепей управления от высоковольтных цепей нагрузок большой мощности: для управления мощными тиристорами, в устройствах защиты вторичных источников питания и т.д.
Условные обозначения микросхем светодиодных оптопар приведены на рис. 13: а) фоторезисторная, б) фотодиодная, в) фототранзисторная, г) фототиристорная оптопары.
В системе параметров оптопар выделяют:
Входные параметры (параметры излучателя):
Входной номинальный ток оптопары Iвх опт, мА;
Входное напряжение Uвх, В при Iвх опт;
Максимальный входной ток Iвх max, мА;
Максимальное входное обратное напряжение Uвх обр max, В;
Выходные параметры (параметры приемника):
Максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых обр max, В;
Максимально допустимый выходной ток Iвых.
Выходной обратный ток (темновой) Iвых т. или ток утечки на выходе Iут при Iвх = 0 и заданном значении Uвых;
Выходное остаточное напряжение (на открытом фототранзисторе) Uост, В;
Передаточные характеристики:
Статический коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх;
Проходная емкость оптопары Свых–вх, пФ;
Время нарастания импульсного выходного тока tнр, с;
Время спада импульсного выходного тока tсп, с;
Для тиристорной оптопары вместо коэффициента передачи по току приводят ток включения Iвкл.
Параметры изоляции:
Сопротивление изоляции между входом и выходом оптопары Rи, МОм;
Максимальное напряжение изоляции Uи max, В.
В справочниках для ряда оптопар может отсутствовать часть указанных выше параметров, а также могут быть приведены дополнительные параметры.
Приложение 1. Спектральные характеристики излучателей на основе полупроводниковых материалов
|
Соединение |
ΔW, эВ |
Максимум излучения λ, мкм |
Цвет свечения диода |
|
|
1 |
GaAs |
1.42 |
0.88–0.95 |
инфракрасное излучение |
|
2 |
Ga As1-xAlx |
0.70–0.88 0.67–0.70 |
инфракрасное излучение красный |
|
|
3 |
Ga As1-xPx |
0.65 0.59 0.57 |
красный желтый зеленый |
|
|
4 |
GaP; Zn, O GaP; N, O GaP; N |
красный желто-оранжевый зеленый |
||
|
5 |
GaP |
2.27 |
0.55–0.56 |
зеленый |
|
6 |
GaN |
3.4 |
синий |
Приложение 2. Основные электрические и световые параметры светодиодов на основе твердого раствора галлий-алюминий-мышьяк и фосфида галлия при 25ºС
|
Марка светодиода |
Цвет свечения |
Сила света Iv, мкд не менее |
Длина волны в максимуме спектральной характеристики, λм, мкм |
Постоянное прямое напряжение Uпр, В не более |
Постоянный прямой ток Iпр, мА |
|
АЛ307АМ |
красный |
0.15 |
0.666 |
2.0 |
10 |
|
АЛ307БМ |
красный |
0.9 |
0.666 |
2.0 |
10 |
|
АЛ307ВМ |
зеленый |
0.4 |
0.566 |
2.8 |
20 |
|
АЛ307ГМ |
зеленый |
1.5 |
0.566 |
2.8 |
20 |
|
АЛ307ДМ |
желтый |
0.4 |
0.56; 0.7 |
2.5 |
10 |
|
АЛ307ЕМ |
желтый |
1.5 |
0.56; 0.7 |
2.5 |
10 |
|
АЛ307ЖМ |
желтый |
3.5 |
0.56; 0.7 |
2.5 |
10 |
|
АЛ307КМ |
красный |
2 |
0.666 |
2.0 |
10 |
|
АЛ307НМ |
зеленый |
6 |
0.566 |
2.8 |
20 |
|
АЛ336А |
красный |
6 |
2.0 |
10 |
|
|
АЛ336Б |
красный |
20 |
2.0 |
10 |
Предельно допустимые режимы эксплуатации
|
Наименование параметра, единица измерения и условия измерения |
АЛ307АМ, АЛ307БМ, АЛ307КМ, |
АЛ307ВМ, АЛ307ГМ, АЛ307ДМ, АЛ307ЕМ, АЛ307ЖМ, АЛ307НМ |
АЛ336А, АЛ336Б |
|
Максимально допустимый постоянный прямой ток, Iпр max, мА |
22 |
22 |
20 |
|
Максимально допустимый импульсный прямой ток Iпр и max, при длительности импульса не более 2 мс и скваженности не менее 10, мА |
100 |
60 |
100 |
|
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр max, В |
2 |
2 |
2 |
|
Диапазон рабочей температуры окружающей среды, ºС |
–60÷ +70 |
–60÷ +70 |
–60÷ +70 |
Приложение 3. Основные электрические параметры оптопары АОД101Б
АОД101Б оптопара диодная, образована излучающим диодом на основе арсенида-галлия и кремниевым фотодиодом. Предназначена для гальванической развязки электрических цепей, между которыми осуществляется информационная связь. Выпускается в металлическом корпусе.
Электрические параметры при Токр = 25ºС:
Входное напряжение при Iвх=10 мА, не более 1.5 В.
Коэффициент передачи тока при Iвх=10 мА не менее 1.5%
Выходной обратный ток утечки, не более 8 мкА
Время нарастания и спада выходного импульса, не более 500 нс.
Сопротивление изоляции оптопары, не менее 109 Ом.
Проходная емкость не более 2 пФ.
Предельные эксплуатационные данные:
Постоянный или средний входной ток Iвх max, 20 мА.
Импульсный входной ток при tи = 100 нс 100 мА.
Обратное входное напряжение 3.5В.
Обратное выходное напряжение 100В.
Напряжение изоляции 100В.
Температура окружающей среды –60 ÷ +70ºС.
Приложение 4. Основные электрические параметры оптопары АОТ127В
АОТ127В оптопара транзисторная, образована излучающим диодом на основе арсенида-галлия и кремниевым составным фототранзистором. Предназначена для бесконтактной электронной коммутации цепей постоянного тока с гальванической развязкой. Выпускается в пластмассовом корпусе. Схемы расположения выводов и соединения электродов с выводами и внешним резистором представлены на рис. 14 а и б.
Электрические параметры при Токр = 25ºС:
Входное напряжение при Iвх=5 мА, не более 1.6 В.
Выходное остаточное напряжение при Iвх=5 мА и Iвых=15 мА,
не более 1.5 В.
Выходной обратный ток утечки при Iвх=0 мА, и напряжении питания
U =15 В, не более 25 мкА.
Время нарастания импульса выходного тока tпр, при Iвх=5 мА 10 мкс.
Время спада импульса выходного тока tсп, при Iвх=5 мА 100 мкс.
Сопротивление изоляции оптопары, не менее 1011 Ом.
Напряжение изоляции 500 В.
Температура окружающей среды –45 ÷ +85ºС.
Предельные эксплуатационные данные:
Входной постоянный ток Iвх max, 15 мА.
Входное обратное напряжение Uобр вх max 1.5 В.
Выходное напряжение Uвых max 15 В.
Выходной ток Iвых max 70 мА.