Цифровая техника

Свечение, излучаемое р-n переходом светодиода, связано с энергетическими процессами и может быть объяснено с помощью диаграммы энергетических уровней. В результате инжекции в n-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 (рис. 5.1, б). Такое состояние неустойчиво, поэтому непрерывно происходит процесс обратного перехода электронов из 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 ΔWз до величины ΔWз + 2δW, где δW — ширина заполненной части зоны проводимости и, соответственно, свободной части валентной зоны. В то же время выделяющийся при рекомбинации квант с энергией от ΔWз до ΔWз + 2δW 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 ΔWз + 2δW.

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-n переходу слоев, а выделяется в пространство в виде фотонов лучистой энергии. Частота излучения соответствует энергии фотона в узком диапазоне от ΔWз до ΔWз + 2δW.

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-n переходом при рекомбинации, не выходит из кристалла во внешнее пространство, а претерпевает 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-n 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 рисунке 5.2. В кристалле сложного полупроводника создаются области n-типа и р-типа, на которых имеются невыпрямляющие контакты для присоединения наружных выводов. Кристалл помещается в корпус с прозрачным окном, через которое от р-n перехода исходит излучение; в окно может быть вставлена линза.

Рисунок 5.2 – Устройство светодиода: а- плоская конструкция;

б – полусферическая  конструкция,

в – условное графическое  обозначение, г – внешний вид

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. 5.3, а):

.

Отличается она большим падением напряжения на светодиоде в прямом направлении (3 – 6 В) из-за большой ширины ΔWз.

Рисунок 5.3 – Характеристики светодиода: а – вольт-амперная,

б – яркостная, в – спектральная

 

Яркостная, или люкс-амперная, характеристика представляет собой зависимость яркости свечения В от проходящего через светодиод тока (рис. 5.3, б):

В = f(I).

Начальный участок этой характеристики нелинейный: при токе меньше порогового Iпор яркость свечения очень мала и медленно возрастает с увеличением тока (практически люминесценция 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 характеристики к горизонтальной оси.

Спектральная  характеристика светодиода — это зависимость яркости излучения от длины волны излучаемого света (рис. 5.3, 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 карбида кремния с желтым свечением — 0,6 мкм, с желто-оранжевым свечением 0,625 мкм.

Основными параметрами  светодиода являются мощность или яркость  излучения, длина волны излучаемого  света, определяющая цвет свечения, ток и напряжение в рабочем режиме.

Светодиоды работают при прямом токе 3—40 мА и прямом напряжении 2,5—5,5 В.

Яркость свечения различна у светодиодов с разным цветом свечения. Наибольшую яркость имеют  светодиоды с зеленым свечением—до 120 кд/м2 при постоянном токе З мА; яркость у остальных светодиодов — порядка 20—50 кд/м2.

К.п.д. светодиода, представляющий собой отношение мощности излучения к затраченной электрической мощности, очень низок и не превышает 1—3 %, так как основная часть электрической мощности превращается в тепло и составляет потери.

Светодиоды характеризуются очень малой инерционностью; их быстродействие составляет с.

Светодиоды находят  все более широкое применение в качестве источников света в  автоматике, измерительной технике, кинематографии и других областях благодаря  целому ряду преимуществ. Они имеют малые габариты и вес, практически неограниченный срок службы, высокую стабильность, высокое быстродействие, работают при низких напряжениях питания, потребляют малую электрическую мощность, позволяют получать различный цвет свечения, просты в эксплуатации, устойчивы к механическим воздействиям и действию окружающей среды, имеют низкую стоимость при массовом изготовлении, позволяют использовать их в электронных схемах с другими полупроводниковыми приборами. Технология изготовления светодиодов совместима с технологией изготовления полупроводниковых интегральных микросхем.

Светодиоды нашли основное применение в качестве световых индикаторов  на панелях управления электронной  аппаратуры. Они могут служить  элементами святящихся табло для  отражения различной информации, индикаторами перегрузки, включения аппаратуры, измеряемых величин взамен стрелок на панелях измерительных приборов.

 

а –многоэлементный светодиод  типа КЛ104А; б – его цоколевка;

в – светящаяся панель;

г – принцип создания экранов буквенно-цифровой информации

 

Рисунок 5.4 – Светодиоды для отображения информации:

 

 

Система обозначений  светодиодов такая же, как для обычных диодов:  
первый элемент — буква, обозначающая материал светодиода; второй элемент — буква Л обозначает тип прибора по принципу действия — люминесцентный; третий и четвертый элементы — число и буква — соответствуют порядковому номеру разработки данного типа и группе по параметрам.

В кинотехнике светодиоды могут быть использованы как световые индикаторы включения звуковоспроизводящей и электропитающей аппаратуры, как пик-индикаторы - указатели превышения номинальной мощности усилителя, а также в качестве источников света при фотографической записи звука и в системе воспроизведения фотографической фонограммы.

Для визуального контроля работы электронной аппаратуры используют светодиоды из фосфида галлия типа АЛ102А, Б (красное свечение) и АЛ102В (зеленое свечение). Светодиоды типа АЛ301А, Б (красное свечение) могут быть использованы при киносъемке для фиксации на непроявленную пленку различных отметок. Например, временных и синхронизирующих. Эти же светодиоды можно использовать взамен лампы накаливания при воспроизведении фотографической фонограммы в передвижных киноустановках, где особенно важно уменьшить потребление энергии и облегчить тепловой режим аппаратуры.

Светодиоды на основе карбида кремния серии КЛ1001А, Б, В дают желтое свечение и могут быть использованы как светящиеся элементы на табло отображения информации. Например, для неподвижной и движущейся рекламы. Для отображения цифровой или буквенной информации разработаны светодиоды серий КЛ104А, Б и КЛ105А, Б, В, а также Б-6О, Б-120 и др. (рис. 5.4, а). Такой светодиод представляет собой полупроводниковую пластину размером 5Х8 мм2, на которой сформировано несколько светящихся единичных элементов (рис. 5.4, в). Комбинация из семи таких элементов позволяет получить любую светящуюся цифру от О до 9 (рис. 5.4, б). Прибор оформлен в пластмассовом корпусе, со стеклянной полусферической линзой диаметром 14 мм и имеет массу 7 г. Единичный элемент имеет габариты 1,5Х1,5Х0,3 мм, массу 0,05 г. Корпус имеет по одному выводу от катода каждого единичного элемента и один общий вывод от анодов. Конструкция позволяет монтировать приборы в любом количестве на табло при помощи панелей для пальчиковых ламп и высвечивать необходимую информацию.

Для экранов буквенно-цифровой индикации на одной пластине, являющейся подложкой, размещается набор светодиодов; например, семь рядов по пять светодиодов в каждом (рис. 5.4, г) — получается матрица из 35 единичных элементов, выводы от которых соединены с проводящими шинами соответствующего ряда и столбца. При подаче на определенную группу светодиодов прямого напряжения получается светящееся изображение требуемого знака. В интегральном исполнении такая матрица представляет собой интегральную микросхему. Из этих матриц составляется экран, отображающий определенную информацию.

Светодиоды на основе арсенида галлия серии АЛ106 А, Б, В дают инфракрасное излучение, которое в большинстве случаев не влияет на необработанную пленку, поэтому они могут быть использованы в устройствах автоматического контроля при изготовлении и обработке кинофотоматериалов.  

В приборах для измерения  электрического тока или напряжения единичные светодиоды могут быть расположены по одной линии, создавая светящуюся полоску, длина которой изменяется в зависимости от измеряемой величины. Значение этой величины определяют по шкале, проградуированной в соответствующих единицах.

Большое распространение  получили светодиоды в устройствах передачи информации с помощью светового потока. Такие устройства получили название оптоэлектронных. Основными элементами в них являются управляемый источник света (фотоизлучатель) и фотоприемник. Управляемым источником света называют такой источник, яркость свечения или световой поток которого линейно зависит от тока или напряжения. В современной электронике в качестве фотоизлучателя используют светодиод. В качестве фотоприемников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Фотоизлучатель и фотоприемник образуют оптопару. Это могут быть дискретные элементы, смонтированные в одном устройстве и используемые в оптоэлектронной аппаратуре, но чаще они представляют собой интегральную микросхему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Определить чувствительность ФЭУ-1, если фототок 18 мкА, световой поток 0,2 лм, коэффициент вторичной эмиссии – 6.

 

Дано:

А

Ф = 0,2 лм

Решение:

Анодный ток равен  А

Анодная чувствительность равна  А/лм