Оптоэлектронные приборы с p-n переходом: фотодиод, светодиод

Полупроводниковый светодиод – это излучающий полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

Обычно излучение светодиода вызвано самопроизвольной рекомбинацией НЗ при их инжекции под действием прямого напряжения на электронно-дырочном переходе. Рекомбинация носителей может происходить как в прилегающих к p-n-переходу областях, так и в самом p-n-переходе. Чтобы фотоны, освободившиеся при рекомбинации, воответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой ().

Исходными полупроводниками для светодиодов являются арсенид галлия GaAs, карбид кремния SiC, фосфид галлия GaP или твердые растворы фосфида и арсенида галлия.

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход светодиодов оказывается значительно ниже, так как часть квантов света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводника с окружающим воздухом. После отражения в полупроводнике может происходить поглощение квантов света. Через границу раздела проходит лишь та небольшая доля света, которая падает на границу раздела под углом, меньшим критического угла полного внутреннего отражения , где nr – коэффициент преломления света в полупроводнике. Как правило .

Для повышения внешнего квантового выхода применяют различные просветляющие покрытия внешней поверхности светодиодов, т.е. прозрачные слои вещества толщиной в четверть длины волны с показателем преломления, равным nr1/2. Просветляющие покрытия увеличивают внешний квантовый выход примерно в 1,5 раза вне зависимости от структуры светодиода. Применение многослойных просветляющих покрытий позволяет повысить внешний квантовый выход, но усложняет технологию изготовления светодиодов.

Площадь излучающего p-n-перехода светодиода обычно не превышает 1мм2. Она ограничивается параметрами источника питания, т.е. током, который может обеспечить источник питания (обычно 10-50 мА).

Светодиоды могут иметь один p-n-переход или несколько p-n-переходов (матричные). При соответствующем включении отдельных p-n-переходов матричных светодиодов можно получить светящуюся цифру, букву или знак.

Часто светодиоды используют для записи информации фоточувствительные материалы, для передачи информации в виде светового сигнала к какому-нибудь приемнику излучения и для других целей.

Светодиод, p-n-переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Поэтому светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока. Яркостной хар-кой светодиода является зависимость яркости от проходящего через светодиод тока (рис. 1).

Оптимальный режим работы светодиода определяется видом его яркостной хар-ки, и, наоборот, при конструировании светодиода определенного назначения необходимо создать определенную структуру p-n-перехода для обеспечения наибольшего квантового выхода излучения в соответствующем диапазоне плотностей тока.

Нижний предел рабочего напряжения светодиода или пороговое напряжение светодиода определяется энергией излучаемых квантов света. Верхний предел рабочего напряжения светодиода определяется допустимой мощностью рассеяния светодиода. Диапазон рабочих напряжений или его верхний предел является важным параметром светодиода с точки зрения выбора источника питания для этого прибора.

Спектральная хар-ка светодиода – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов. В первом приближении спектральный состав излучения можно характеризовать цветом свечения.

Параметры светодиода ка элемента электрической схемы определяется его ВАХ. Различие прямых ветвей ВАХ светодиодов из разных п/п материалов связаны с различной шириной запрещенной зоны (рис. 2). Обратные ветви ВАХ соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p-n-переходов в светодиодах, в основном не предназначенный для включения в обратном направлении.

Инерционность светодиодов характеризуется постоянными времени разгорания и затухания электролюминесценции при импульсном возбуждении светодиодов, которые принято измерять между яркостями излучения 0,1 и 0,9 от максимальной.

КПД или эффективность светодиода зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции светодиода. Обычно КПД светодиода не превышает сотых долей. Основные потери световой энергии происходят в результате полного внутреннего отражения и из-за поглощения квантов света в п/п материале светодиода, на контактах и т.д.

Отличительными свойствами светодиодов являются их высокая надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, Масса, потребляемая мощность, возможность изготовления светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечения, совместимость с интегральными микросхемами в связи с низкими рабочими напряжениями.

Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиодов используют п/п диоды с p-n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в p-n-переходе или в прилегающих к нему областях кристалла полупроводника образуются новые носители заряда (пары электрон-дырка). ННЗ, возникающие в прилегающих к p-n-переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к p-n-переходу и проходят через него под действием электрического поля или с точки зрения энергетической диаграммы скатываются с потенциального барьера (рис. 3). Поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освещении. При освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, наз. Фототоком.

В конструкции фотодиода должна быть предусмотрена необходимость освещения кристалла полупроводника с одновременной защитой этого кристалла от других внешних воздействий.

Световая хар-ка фотодиода, т.е. зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Связано это с тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины ННЗ.

Следствием линейности световой хар-ки фотодиода является независимость интегральной чувствительности фотодиода от приложенного обратного напряжения. Интегральная чувствительность: .

Особенностью фотодиодов и важным преимуществом их по сравнению с фоторезисторами является малая инерционность. Инерционность фотодиодов могут влиять три физических фактора: время диффузии или дрейфа ННЗ через базу; время пролета через p-n-переход; время перезарядки барьерной емкости p-n-перехода.

Спектральная хар-ка светодиодов также определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны исходного п/п материала, при малых длинах волн – большим показателем поглощения и увеличением влияния поверхностной рекомбинации НЗ с уменьшением длины волны квантов света.

Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения в данном полупроводнике. Максимум спектральной хар-ки может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации.