Лекция 17. Светодиоды. Фотодиоды. Оптоэлектронные устройства

Светодиоды

Светодиодом (LED англ. Light-emitting diode) называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, 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.

а)	б)	в)

Рис. 17.1. Светодиод:

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

При прямом включении p-n перехода 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;

DW – 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 l » 770…400 нм. Основным цветам соответствуют следующие границы длин волн:

Такие длины волн соответствуют разности энергий электрона DW » 1,6…3,1 эВ. Следовательно, для получения видимого излучения ширина запрещённой зоны DW в полупроводнике должна быть более 1,6 эВ. Германий и кремний имеют DW < 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, легированный N – 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.

а)	б)

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.

Таблица 17.1

Основные параметры светодиодов

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).

а)	б)

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.

Фотодиоды

Фотодиодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольтамперная характеристика которого зависит от воздействующего на него света.

Условное графическое обозначение, структура и внешний вид фотодиода представлены на рис. 17.6.

а)	б)	в)

Рис. 17.6. Фотодиод:

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

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычному p-n переходу (см. рис. 1.3).

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода, и скапливаются у границы p-n перехода и n области. Таким образом, ток через p-n переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов называется фото ЭДС E_ф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – с внешним источником электрической энергии (режим преобразователя), либо без внешнего источника электрической энергии (режим генератора).

При работе фотодиода в режиме преобразователя на него подают обратное напряжение (рис. 17.7, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных уровнях освещенности Ф, Ф1, Ф2 (рис. 17.7, б).

В зависимости от уровня освещённости изменяется обратный ток фотодиода, и на резисторе нагрузки изменяется напряжение. В системах железнодорожной автоматики по такой схеме включён германиевый фотодатчик в приборах обнаружения нагретой буксы (германий чувствителен к ИК лучам, а кремний – к видимому свету).

а)	б)

Рис. 17.7. Работа фотодиода в режиме фотопреобразователя:

а – схема включения; б – вольтамперные характеристики

Фотодиоды, работающие в режиме генератора, используют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей. Выходное напряжение солнечной батареи сильно зависит от уровня освещённости. Чтобы получить стабильное напряжение в нагрузке, солнечную батарею используют совместно с аккумулятором. Схема солнечно-аккумуляторной батареи представлена на рис. 17.8.

Рис. 17.8. Принципиальная схема солнечно-аккумуляторной батареи

При максимальной освещённости солнечная батарея питает нагрузку и заряжает аккумулятор. В темноте нагрузка питается только от аккумулятора, а чтобы аккумулятор не разряжался на солнечную батарею, в схеме установлен диод VD1.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м² соответственно.

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

Оптроны

Оптроном называется полупроводниковый прибор, в котором излучатель света и фотоприёмник оптически и конструктивно связаны между собой. Термин «оптрон» образован, как сокращение от английского «optical-electronic device».

В оптроне поступающий на вход электрический сигнал преобразуется излучателем в световой, передаётся по оптическому каналу к фотоприёмнику и снова преобразуется в электрический. При этом цепи входа и выхода гальванически отделены друг от друга. Источником светового излучения в оптроне служит арсенид-галлиевый легированный фосфором (GaAsP) светодиод, а фотоприёмником может быть кремниевый фотодиод, фототранзистор или фототиристор, потому что спектральные характеристики арсенид-галлиевого излучателя и кремниевого фотоприёмника хорошо согласуются между собой.

Оптическая среда в оптронах бывает трёх видов:

воздух или инертный газ – электрическая прочность Е_п = 1…5 кВ;

силикатное стекло или полимерные лаки – Е_п = 0,1…1 кВ;

волоконные световоды (полиметилметакрилат) – Е_п = 50…150 кВ.

Условное графическое обозначение и основные параметры оптронов представлены в таблице 17.2.

Таблица 17.2

Основные параметры оптронов

Тип оптрона	диодный	транзисторный	тиристорный
Условное графическое обозначение
Буквенное обозначение	АОД	АОТ	АОУ
KI	0,02	30…100	102…103
fГР, МГц		0,5	-
Параметры коммутации выходной цепи	U = 10…40 В I = 0,2…10 мА	U = 5…30 В I = 5…50 мА	U = 50…1400 В I = 0,2…300 А

Оптроны широко применяются там, где необходимо обеспечить гальваническую развязку электрических цепей по условиям электробезопасности или для снижения помех, а также в волоконно-оптических линиях связи.

Мощные тиристорные оптроны называются оптотиристорами. Их применяют в регулируемых выпрямителях. Схема управления оптотиристора не содержит импульсного трансформатора, поэтому она получается проще и экономичнее.

Более подробные сведения об оптронах приведены в литературе [4, 9, 13, 15].

Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы светодиода. Почему в светодиодах нельзя использовать кремний и германий?

2. От чего зависит цвет излучения светодиода?

3. Как влияет температура кристалла на срок службы светодиода?

4. Нарисуйте схему включения светодиода. Для чего в схеме устанавливается резистор R_огр?

5. Как устроены сверх яркие светодиоды белого свечения?

6. Поясните принцип работы фотодиода. Какие полупроводниковые материалы применяют для изготовления фотодиодов?

7. В каких режимах работают фотодиоды? Приведите схемы использования фотодиодов в этих режимах.

8. Что такое оптрон?

9. Приведите пример обозначения оптрона и его основные характеристики.

10. В каких схемах применяют оптотиристоры?