Фотодиод и светодиод в чем разница

18

Светодиоды и фотодиоды

Светодиод – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который создает оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Основными типами светодиодов являются: выводные светодиоды, SMD светодиоды и СОВ-светодиоды. Особенностью выводных светодиодов является то, что у них имеются “ножки”, которые предназначены для монтажа в отверстиях печатной платы. Данный тип светодиодов используется в подсветке и индикации, а его схема изображена на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема выводного светодиода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Некоторые модификации выводных светодиодов используются в переносных светильниках, лазерных указках и фонарях. Основными из них являются круглые, диаметр которых может быть 3,5 или 8 миллиметров, прямоугольные (пиранья) и цилиндрические.

SMD светодиоды монтируются на печатную плату посредством поверхностного монтажа. Основой таких светодиодов является кристалл (светодиодный чип), который размещается в квадратном или прямоугольном корпусе, а минусовой и плюсовой выводы выполняются в виде металлических полосок. Схема SMD светодиода изображена на рисунке ниже.

Рисунок 2. Схема SMD светодиода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Процесс создание SMD светодиода состоит из четырех этапов:

• Выращивание кристалла.
• Планарная обработка пленки.
• Сортировка чипов по категориям — бинирование.
• Размещение чипов в корпус.

Кристаллы выращиваются при помощи технологии, которая предполагает применение металлоорганической эпитаксии, то есть послойного наращивания кристаллической структуры и создание контактных отводов от каждого p-n перехода. Готовые кристаллы размещаются на подложке, которая отводит лишнее тепло. На поверхность готовых чипов наносится оптическое покрытие, в большинстве случаев люминофор. Данные светодиоды также используются в современных светильниках.

Идея СОВ-светодиода заключается в том, что большое количество светодиодных элементов размещаются на общей подложке. Благодаря этому обеспечивается высокая плотность кристаллов на единицу площади по сравнению с SMD светодиодами. Пример схемы СОВ-светодиода изображен на рисунке ниже.

Рисунок 3. Схема СОВ-светодиода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом данная компактная матрица излучает световой поток с более лучшей однородностью и интенсивностью. Подложка из керамики или алюминия заливается герметично люминофором, а чтобы отвести лишнее тепло плата устанавливается на радиатор.

К основным параметрам светодиодов относятся габариты, цветовая температура, световой поток, мощность, ток и напряжение. Средняя величина рабочего тока однокристального светодиода составляет около 200 миллиампер. Нестабильность тока источника питания плохо сказывается на сроке службы и интенсивности свечения. Для питания светодиодов используются драйверы, которые должны обеспечивать стабильность тока. Границы напряжения зависят от модели светодиода. Мощность светодиода необходимо знать для расчета нагрузки и подбора источника питания. По мощности светодиоды делятся на маломощные (до 0,5 ватт), средние (от 0,5 до 3 ватт) и мощные (от 3 ватт). Светодиодами формируется световой поток с углом рассеивания 100 — 120 градусов. От цветовой температуры зависит комфортность зрительного восприятия. Сейчас светодиодная техника производится с тремя разными оттенками белого свечения: теплое (от 2700 до 3500 кельвинов), дневное (от 3500 до 5000 кельвинов) и холодное (более 5000 кельвинов).

Принцип работы и классификация фотодиодов

Фотодиод – это приемник оптического излучения, преобразующий попавший на его светочувствительную поверхность свет в электрический ток благодаря процессам в p-n переходе.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, устремляющихся к границе р-n перехода. Ширина n-области (база) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в р-область. Электрический ток фотодиода обусловлен током неосновных носителей — током дрейфа. Скорость работы фотодиода определяется скоростью разделения носителей p-n перехода, а также его емкостью. Фотодиод работает в двух основных режимах: с внешним обратным напряжением (фотодиодный) и фотогальванический (без внешнего напряжения). К особенностям фотодиодов относятся: малая инерционность, простота структуры и технологии производства, малое сопротивление базы и сочетание быстродействия и высокой фоточувствительности. Фотодиоды делятся на следующие виды:

Светодиоды и фотодиоды: типы, принцип и режим работы, применение, основные технические характеристики и электрические параметры

Светодиоды и фотодиоды: типы, принцип и режим работы, применение, основные технические характеристики и электрические параметры

Основная масса полупроводниковых радиокомпонентов в рабочих режимах оперирует электрической энергией, которая органами зрения не воспринимается. Тем не менее, существует целый кластер элементов, работающих с электромагнитными волнами видимого спектра. Это светодиоды и фотодиоды. Объединяющим их моментом является наличие полупроводникового p-n-перехода, благодаря чему эти радиодетали представляют собой обычный электрический вентиль. Однако в этом качестве свето- и фотодиоды практически никогда не используются. С их помощью решаются иные задачи. Рассмотрим эти радиоэлементы подробнее.

Светодиоды

Основная функция данных полупроводниковых радиокомпонентов заключается в выработке светового излучения при прохождении электрического тока в прямом направлении. При подаче прямого смещения, как и в обычном диоде, начинаются процессы рекомбинации электронов и дырок. Отличие состоит в том, что в светодиоде этот процесс сопровождается генерацией фотонов, из которых состоит свет.

Для того чтобы полупроводник получил способность к генерации фотонов, он особым образом легируется. В результате материал насыщается носителями заряда, которые возбуждают электромагнитные колебания видимого спектра, которые органами зрения воспринимаются как свечение.

1. красные;
2. жёлтые;
3. оранжевые;
4. зелёные.

В осветительных приборах с недавних пор используются многокомпонентные изделия, генерирующие все цвета и смешивающие их в особо плотный белый свет. Эти источники света по светимости аналогичны накальным и люминесцентным лампам, но потребляют значительно меньший объём электроэнергии.

Отдельный тип светодиодов – радиокомпоненты, вырабатывающие инфракрасное излучение. Они используются в дистанционном управлении электроникой, СКУД, охранных сигнализациях и прочих подобных системах. И хотя эти элементы генерируют невидимые электромагнитные волны, они используют те же физические принципы и выполняются по той же конструкции, поэтому относятся к классу светодиодов.

Типы светодиодов

Сегодня существует два подхода к классификации световых диодов. Во-первых, радиокомпоненты различаются по предназначению. В зависимости от этого они могут быть излучательными и индикаторными. Первые используются в оптоволоконных линиях связи в составе оптических пар. Вторые применяются в устройствах индикации. Осветительные светодиоды относятся, кстати, ко второму типу.

Во-вторых, светодиоды различаются технологиями генерации фотонов и по этому признаку подразделяются на инжекционные и люминофорные. В первых свет вырабатывается напрямую полупроводником при прохождении электрического тока. В люминофорных светодиодах используется принцип вторичной генерации. Эти элементы дают более плотный поток света. Упомянутые выше излучательные светодиоды чаще всего являются именно люминофорными.

Основные характеристики светоизлучающих диодов:

1. Максимально допустимый постоянный прямой ток;
2. Максимально допустимый импульсный прямой ток;
3. Максимально допустимое обратное постоянное напряжение;
4. Сила света светодиода;
5. Максимум спектрального распределения излучения светодиода;
6. Постоянное прямое напряжение;
7. Диапазон рабочей температуры окружающей среды.

Фотодиоды

Эти полупроводниковые радиокомпоненты в противоположность светодиодам фотонов не излучают. Напротив, для исполнения своих функций фотодиоды сами нуждаются в квантах света. Принцип действия элементов заключается в возникновении обратного тока в результате освещения их каким-либо источником света. В темноте при подаче обратного смещения фотодиод остаётся запертым, но стоит только его осветить, и он открывается. По крайней мере, так процесс выглядит внешне.

На самом деле p-n-переход остаётся закрытым, и через него протекает обычный обратный ток, но к нему добавляется так называемый фототок, который возникает из-за воздействия на полупроводник фотонов внешнего освещения. Поглощение световых квантов в переходной зоне приводит к образованию неосновных носителей заряда на расстоянии от p-n-перехода, которое меньше так называемой диффузионной длины. Благодаря этому и возникает фототок.

В некоторых схемах фотодиод используется в качестве источника тока, работая в гальваническом режиме. То есть в радиокомпоненте при его освещении вырабатывается ток, который далее используется в других частях радиоэлектронного устройства. В этом случае фотодиод не нуждается в обратном смещении. Это упрощает принципиальную схему, что является ценным производственным фактором.

В перечень эксплуатационных достоинств фотодиодов входят следующие:

1. стабильность фототока;
2. линейный характер зависимости тока от освещённости;
3. низкое входное сопротивление при прямом включении;
4. нетребовательность к температурному режиму.

Относительно температурных требований следует заметить, что в этом смысле наилучшими параметрами обладают германиевые фотодиоды. Их электрические характеристики мало зависят от температуры окружающего воздуха. Это делает германиевые радиокомпоненты предпочтительными для использования в мощных устройствах.

Лавинные фотодиоды

Особенной разновидностью этих полупроводниковых элементов являются лавинные фотодиоды. Такое название они получили по наименованию квантового эффекта, используемого для формирования обратного тока. Механизм действия лавинного фотодиода заключается в следующем. При подаче обратного смещения, превышающего некий критический уровень, происходит лавинный пробой p-n-перехода и через радиокомпонент начинает протекать значительный обратный ток.

В общем и целом, таким же образом себя ведут все полупроводниковые диоды, но только в лавинном фотодиоде сила обратного тока сильно зависит от уровня освещённости. Небольшие и еле заметные глазом изменения силы света влекут за собой значительные колебания обратного тока. Это свойство лавинных фотодиодов используется в различных устройствах автоматизации с повышенными требованиями по чувствительности.

Недостатком обычных и лавинных фотодиодов является сильная зависимость от стабильности параметров обратного смещения. Этот фактор вынуждает использовать в фотодиодных схемах стабилизаторы питающего напряжения.

Лекция 17. Светодиоды. Фотодиоды. Оптоэлектронные устройства

Светодиодом (LED англ. Light-emitting diode) называется полупроводниковый прибор с одним p—nпереходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в световое излучение (излучающий некогерентный свет). Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Условное графическое обозначение, структура и внешний вид светодиода представлены на рис. 17.1.

Рис. 17.1. Светодиод:

а условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид

При прямом включении p—nперехода и пропуске прямого тока в процессе рекомбинации происходит переход электрона с высокого энергетического уровня в зоне проводимости (n) на низкий в валентной зоне (p). Разность энергий выделяется в виде кванта света (фотона). Диаграмма энергетических уровней в полупроводнике представлена на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Диаграмма энергетических уровней в полупроводнике

Длина волны излучения определяется выражением

, (17.1)

где h– постоянная Планка,h= 4,13510 -15 эВс;

с- скорость света;

W– ширина запрещённой зоны.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Для видимой части светового спектра 770…400 нм. Основным цветам соответствуют следующие границы длин волн:

фиолетовый: 390—440 нм;

синий: 440—480 нм;

голубой: 480—510 нм;

зелёный: 510—550 нм;

жёлто-зелёный: 550—575 нм;

жёлтый: 575—585 нм;

оранжевый: 585—620 нм;

красный: 620—770 нм.

Такие длины волн соответствуют разности энергий электрона W1,6…3,1 эВ. Следовательно, для получения видимого излучения ширина запрещённой зоныWв полупроводнике должна быть более 1,6 эВ. Германий и кремний имеютW< 1,3 эВ, поэтому светодиоды из таких материалов сделать нельзя.

Для светодиодов применяют другие полупроводниковые материалы, например:

арсенид галлия (GaAs) – инфракрасное излучение;

арсенид галлия, легированный алюминием (AlGaAs) – красное свечение;

арсенид галлия, легированный фосфором (GaAsP) – оранжевое свечение;

фосфид галлия, легированный алюминием и индием (AlGaInP) – жёлтое свечение;

фосфид галлия, легированныйN – зелёное свечение;

карбид кремния (SiC), легированный (InGaN) – синее свечение.

При работе на светодиод следует подавать прямое напряжение. Схема включения светодиода в цепь постоянного тока и его вольтамперная характеристика представлены на рис. 17.3.

Рис. 17.3. Схема включения светодиода (а) и его вольтамперная характеристика (б)

В лекции 2 приведена система обозначений полупроводниковых диодов в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 11336.038 – 81 и его последующими редакциями. Стандарт определяет основные параметры светодиодов. Пример величин основных параметров для некоторых типов светодиодов представлен в таблице 17.1.

Основные параметры светодиодов

Сила света, мкд (при токе, мА)

Максимум спектрального распределения, мкм

Более подробные сведения о цветных светодиодах приведены в литературе [4, 13].

Существуют также сверх яркие белые светодиоды, применяемые для освещения. Они представляют собой полупроводниковый кристалл, излучающий ультрафиолетовое свечение, на поверхность которого наносится люминофор. Для получения требуемого угла излучения света применяется первичная оптика – линза (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Конструкция (а) и внешний вид (б) белого светодиода

Излучение белых светодиодов характеризуются цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Цветовая температура выражается в кельвинах (К). При большем значении световой температуры излучение характеризуется синеватым оттенком, при меньшем — желтоватым и даже красноватым (рис. 17.5).

Рис. 17.5. зависимость оттенка белого света от световой температуры

Ток через белый светодиод составляет от 50 мА до 1 А при прямом напряжении от 3 до 3,6 В. Таким образом, мощность светодиода от 0,15 до 3,6 Вт. 30% этой мощности идёт на световое излучение, 70% выделяется в виде тепла. Для сравнения самая лучшая лампа накаливания выделяет в виде тепла 95% мощности, а люминесцентная лампа 80 — 85%. Для эффективного отвода выделяющегося тепла печатная плата для монтажа белых светодиодов выполняется из алюминия.

К преимуществам белых светодиодов как источников света следует отнести мгновенный (без разогрева) выход на рабочий режим, длительный срок службы, отсутствие пульсаций светового потока (питание светодиодов постоянным током).

Светодиод, как и любой полупроводник, обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то есть с ростом температуры увеличивается прямой ток и снижается прямое напряжение светодиода. Поэтому применять для питания светодиодов стабилизатор напряжения (см. лекцию 5) нежелательно. Чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов в широком диапазоне температур следует стабилизировать ток через них. Для этой цели применяется широтно-импульсный стабилизатор с обратной связью по току нагрузки [1].

Работа светодиода зависит от температуры кристалла. С увеличением температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Также с ростом температуры снижается срок службы. Для сверх ярких светодиодов, номинальный ресурс не бывает выше 50…60 тыс. часов, цифра 100 000 часов может относиться только к индикаторным светодиодам.

Отличие фотодиода, светодиода и варикапа от выпрямительного диода

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.

Вложенные файлы: 1 файл

кр_Электроника вариант№22.docx

Задание 1(11). Отличие фотодиода, светодиода и варикапа от выпрямительного диода.

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.

Рис. 1 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р-n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р-n-переход. Кремниевый р-n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р-n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср < 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср < 10 А) и большой (Iпp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.1 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.1, а,а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.1, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р-n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (fмакс 300 МГц) и СВЧ (fмакс 300 МГц). Помимо статической емкости Сд точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр, то происходит лавинный пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное. Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р-n-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
Uст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном. Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мин и максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р-n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше, прямосмещенный р-n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость, отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p-n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения (Uном = 4 В), максимальная Смакс и минимальная Смин емкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости Кс = Смакс/Смин), добротность Q, а также Uобр.макс.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n- и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р-n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р-n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой тепловой ток Io, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Еф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды ( электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р-n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.2 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.2 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Задание 2(20). Приведите семейства входных и выходных характеристик полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком (ОИ).

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).