Светодиод

Светодиоды – это полупроводниковые диоды, преобразующие электрическую энергию в световую.

Обозначение:Пример: АЛ102Б, АЛ307А

Светодиоды работают при прямом включении.

Принцип работы:

Под действием прямого напряжения ОНЗ диффундируют в соседние области, где они рекомбинируют с зарядами противоположного знака. Рекомбинация сопровождается переходом электронов из ЗП в ВЗ. При этом выделяется энергия в виде квантов излучения .

W(эВ)

Ө

W_П

hv

W_В

Для получения видимого излучения, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны находилась в пределах: .

Отсюда видно, что германий и кремний для изготовления светодиодов непригодны, т.к. они имеют ширину запрещенной зоны меньшую, чем необходимо для видимого излучения ( ).

Для изготовления светодиодов применяется фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), тройные соединения, называемые твердыми растворами и состоящими из галлия, алюминия и мышьяка (Ga, Al, As) или галлия, мышьяка, фосфора (Ga, As, P).

Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного цвета.

Кроме светодиодов, дающих видимое свечение, используются светодиоды инфракрасного излучения на основе арсенида галлия (GaAs), у которого . Они применяются в фотореле, различных датчиках, пультах, входят в состав некоторых оптронов.

Конструктивно светодиоды выполняются:

· В непрозрачных корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение.

· В прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение.

· В бескорпусном варианте.

Применение:

Индикация, реле, датчики, пульты.

Оптрон

Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены фотоизлучатель и фотопроемник, между которыми существует оптическая связь.

В качестве фотоизлучателя может выступать светодиод, а в качестве фотоприемника фотодиод, фототранзистор, фототиристор.

Обозначение диодной пары: Тиристорная пара: Транзисторная пара:

Между фотоизлучателем и фотоприемником должна быть среда, которая играет роль световода. Световод должен быть прозрачен в рабочей области, обладать большим коэффициентом преломления, чтобы минимизировать потери света при многократном отражении от границ светодиода и световода.

Большое распространение получили волоконные световоды (тонкие нити стекла или пластмассы (волокна). Светопроводящие волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели, проводящие свет подобно тому, как многожильные металлические кабели проводят электрический ток. С помощью волоконной оптики можно получить большое количество каналов для передачи оптической информации. Волокна световода можно изгибать и скручивать, причем каждое волокно все равно будет передавать свой оптический сигнал, например определенный элемент изображения.

Оптроны бывают с внутренней фотонной связью и с внешней фотонной связью.

Оптрон с внутренней фотонной связью:

1- Фотоизлучатель

2- Световод

3- Фотоприемник

Принцип работы: электрический сигнал поступает на фотоизлучатель (светодиод), где преобразуется в световой сигнал, который по световоду поступает на фотопремник. За счет внешнего фотоэффекта фотоприемник преобразует световой сигнал снова в электрический.

Данный оптрон осуществляет преобразование: электрический сигнал – оптический сигнал – электрический сигнал.

Применение:

· усиление электрических сигналов;

· обеспечение гальванической развязки между входом и выходом.

Оптрон с внешней фотонной связью:

4 – фотоприемник

5 – усилитель

6 – фотоизлучатель

Принцип действия: световой поток поступает на фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем и поступает на фотоизлучатель. В фотоизлучателе происходит обратный процесс (электрический сигнал преобразуется в световой).

Данный оптрон осуществляет преобразование: оптический сигнал – электрический сигнал – оптический сигнал.

Применение:

· усиление оптических сигналов;

· преобразование частоты оптических сигналов (на входе оптический сигнал одной частоты, на выходе – другой, например, сигнал инфракрасного или рентгеновского излучения преобразуется в сигнал видимого спектра).

Достоинства оптронов:

· отсутствие электрической связи между входом и выходом. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать R=10¹⁴ Ом;

· широкая полоса пропускаемых частот (ПП=0÷10¹⁴Гц);

· высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;

· высокое быстродействие (используется в качестве переключателя).

Недостатки оптронов:

· большая потребляемая мощность из-за того, что дважды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок;

· низкая температурная стабильность;

· низкая радиационная стойкость;

· заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени;

· относительно высокий уровень собственных шумов.