Файл: Конспект.pdf

• Основний фізичний процес, що забезпечує роботу світлодіодів – це випроміню-

вальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнені – переходу. Ця рекомбі-

нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготовлення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад, сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі U>Uпор, де Uпор UК (порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів). Будова світлодіоду показана на рис. 1. Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 2).

Будова світлодіода

1- металеві контакти;

2- n-область; 3 – світловипромінюючий р-n- перехід; 4 - р-область;

5- світловий потік

Яскравостна

характеристика

світлодіода

•Колір свічення світлодіоду залежить від матеріалу з якого він виготовлений

(ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони матеріалу, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання.

Так, двокомпонентні напівпровідникові матеріали GaAs і GaP дають червоне свічення,

карбід кремнію SiC – червоно-помаранчове або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення. Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 1), які мають два – переходи, утворені різними vматеріалами (легуючими домішками). Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншим – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати інтенсивність кожного з кольорів, а отже і сумарний колір свічення.

•Світлодіоди широко використовуються ї в різноманітних електронних пристроях. Перевагою інжекційних світлодіодів є – яскраве і чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.

•Крім точкових світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висвічуваних елементів: семисегментну та матричну (рис.2). Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з

комірок, кожна з яких має 36 (7 5+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

Структура світлодіода з кольором свічення, що перелаштовується

Варіанти елементів, що висвічуються за допомогою світлодіодів:

а) семисегментна конфігурація; б) – матрична конфігурація

ПАРАМЕТРИ СВІТЛОДІОДІВ

•Світлодіод - низьковольтний прилад. Звичайний світлодіоди, що застосовуються для індикації, споживають від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіоди, які використовуються для освітлення, споживають таку ж напругу, але струм є вищим - від декількох сотень мА до 1 А. В світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В). При підключенні світлодіода необхідно дотримуватись полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і звичайно становить більше 5 В для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існують світлодіоди різних конструкцій, що випромінюють в тілесному вуглі від 40-1400. Колір, світла, що випромінюється, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання. Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетингової характеристикою виявляється ціна одного люмена.

•В робочих режимах струм світлодіода експоненціально залежить від напруги і незначні зміни напруги приводять до великих змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний струму, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може привести до його прискореного старіння. Саме тому

послідовно з світлодіодом включають конвертор (driver). Для світлодіода він те саме,

що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті утворюється плоский p-n перехід великої площі. Дві бокові сторони (торці) кристала поліруються для створення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, названий резонатором Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, що випромінюється перпендикулярно цим площинам, проходить через оптичний хвилевід і кілька разів відбивається від торців, перш ніж вийде назовні.

Проходячи вздовж резонатора, він буде викликати вимушену рекомбінацію, створюючи нові і нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Як тільки посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація. Це відповідає пороговому струму інжекції. Одномодові лазери застосовуються в оптичних запам'ятовуючих пристроях, лазерними вказівками, а також в волоконної техніці.

•Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини робочі шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному до них. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить

широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкуючі устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів.

•Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

•У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході

діода, внаслідок дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що фокусують.

Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Багатомодові лазерні діоди можуть мати вихідну оптичну потужність в безперервному режимі від 500 мВт до 8 Вт, а квазінеперервні лазерні лінійки - до 150 Вт.

Вигляд типового твердотільного лазера та лазерної указки

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

• Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні.

У напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який

полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують їх електропровідність.

Фоторезистори Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, електричний опір яких

змінюється під дією світла. Конструктивно фоторезистор складається з діелектрика 3, на який нанесено світлочутливий шар напівпровідника 1, і зовнішніх електродів 2 (рис.

а).

•Схема вмикання фоторезистора до електричного кола показана на рис. б. Увімкнення джерела Е не залежить від полярності, оскільки фоторезистор не має вентильних властивостей.

•Вихідним матеріалом для виготовлення світлочутливого шару фоторезистора є

PbS, CdSe або CdS

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ФОТОПРИЙМАЧІ

• За відсутності світла (світловий потік Ф=0) фоторезистор має великий темновий опір, і при прикладенні зовнішньої напруги через нього протікає малий темновий струм

IТ. Під дією світла опір фоторезистора зменшується, і через нього проходить струм

I=C + IТ,

де С - коефіцієнт пропорціональності; Ф - світловий потік;

IТ - темновий струм (темновий опір фото резистора – сотні кілоомів). Залежність I= f(Ф) при Е=const відповідно до формули показана на рис. в. При низьких рівнях освітлення залежність I= f(Ф) можна вважати лінійною:

I=CФФ + IТ,,

де CФ- інтегральна чутливість фоторезистора.

• Недоліками фоторезисторів є нелінійність характеристики I= f(Ф) та мала швидкодія (граничні частоти приладу не перевищують 1 кГц).