Светоизлучающие диоды

Излучающий полупроводниковый прибор, имеющий одни р-n пере­ход и предназначенный для непосредственного преобразования элект­рической энергии в энергию светового излучения, называется светодиодом (СД).

В светодиодах используется инжекционная электролюминесцен­ция р-n перехода, включенного в прямом направлении. Излучение света р-n переходом при прохождении через него прямого тока было впервые обнаружено О.В. Лосевым в 1923 г. При прямом включении перехода происходит инжекция носителей через пони­женный потенциальный барьер и их рекомбинация. В процессе рекомбинации электроны переходят с высоких энергетических уров­ней в зоне проводимости на более низкие в валентной зоне

Рассмотрим, при каких условиях p-n переход может быть излучательным Длина волны видимой части светового спектра λ составляет 0,4…0,7 мкм, что соответствует энергиям 1,3... 1,8 эВ. Следовательно, ширина запрещён­ной зоны ΔW исходного полупроводникового материала в излучательном приборе должна быть не более 1,3... 1,8 эВ.

От используемого полупроводникового материала зависит цвет се­чения, определяемый длиной волны

λ =hc/ΔW (3.32)

где h — постоянная Планк; c-скорость света; ΔW- ширина запрещённой зоны полупроводника.

В СД должен быть беспрепятственный вывод светового пучка из источника излучения (базовой области) в окружающее пространство. Базовая область часто имеет форму полусферы (рис. 3.56). Кристалл располагают в металличес­ком, керамическом корпусе или пластмассовом корпусе. Верхняя часть корпуса имеет стеклян­ную линзу — выходное окно для концентрации излучения в узкий конус.

Исходными материалами СД служат арсенид галлия (для источников инфракрас­ного излучения), фосфид галлия с примеся­ми цинка и кислорода (красное свечение), фосфид галлия, легированный азотом (зелё­ное свечение) и карбид кремния (жёлтое свечение).

Рис. 3.56. Устройство светоизлучающего диода

На основе фосфида галлия с разными примесями разработан цветосигнальный индикатор с плавно изменя­ющимся цветом свечения.

Вольт-амперная характеристика СД аналогична характеристике диода (рис. 3.57). Постоянное прямое напря­жение 1...2 В, максимальный постоянный прямой ток составляет в зави­симости от типа диода 10...100мА. Допустимое обратное напряжение СД невелико (3...7 В). Он не рассчитан на включение в обратном направление и подача на СД обратного напряжения с амплитудой более 2…4 В не рекомендуется.

Рис. 3.58. схема включения светоизлучающего диода

Яркость зависит от конструкции СД и составляет 10...50 кд/м2. Чем больше допустимый ток, тем выше яркость и мощность излучения. Светоизлучающие диоды СД мало инер­ционны, время их переключения со­ставляет 10-8...10-9 с. Характеристи­ки СД имеют значительный разброс параметров и зависят от температуры.

С ростом температуры яркость уменьшается, сокращается и срок служ­бы СД. Так, при 25оС он составляет 105 ч, а при 100 °С сокращается до 1000 ч. Так же сокращается срок службы СД при увеличении его тока. На рис. 3.58 представлена схема включения светодиода.

Рис. 3.58. Схема включения светоизлучающего диода

СД широко применяют в качестве световых индикаторов миникалькуляторов и электронных часов, они служат основными элемен­тами современных оптронов. Двухцветные СД перспективны для ис­пользования в устройствах железнодорожного транспорта в качестве четырёхпозиционных сигнализаторов (красный — жёлтый — зеле­ный — выключено), а также в качестве оптических индикаторов ско­рости. На рис. 3.59 структура двухцветного СД, а на рис. 3.60 экви­валентная схема двухцветного СД.

Рис. 3.59. Структура двухцветного Рис. 3.60. Эквивалентная схема

светодиода двухцветного светодиода

Оптроны.

Оптрон (ОП) — это прибор, в котором светоизлучатель и фотоприёмник оптически и конструктивно связаны друг с другом и представ­ляют собой единое конструктивное целое.

В ОП поступающий электрический сигнал преобразуется источни­ком излучения в световой, передаётся по оптическому каналу от светоизлучателя к фотоприёмнику, где он вновь преобразуется в электри­ческий. При этом цепи входа и выхода полностью отделяются друг от друга, что необходимо для многих схем железнодорожной автомати­ки и телемеханики.

Источником излучения в ОП служит светодиод; в качестве фото­приёмников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Если ОП имеет один излучатель и один приёмник излучения, то его называют оптопарой или элементарным ОП.

Наиболее распространённые элементы ОП — арсенидогаллиевые светодиоды и фотоприёмники из кремния. Их спектральные характе­ристики хорошо согласуются между собой. Согласование спектраль­ных характеристик — одно из основных условий, обеспечивающих оптимальную передачу сигнала с входа ОП на его выход.

Наименьшее напряжение изоляции между входом и выходом име­ют ОП с тонким слоем стекла или лака (100—1000 В). В ОП с воз­душным промежутком оно составляет 1...5 кВ и ограничено электри­ческой прочностью корпуса. В ОП с волоконными световодами напря­жение изоляции может достигать 50...150 кВ.

Оптронную пару — излучатель и фотоприёмник — или несколько оптронных пар помещают в корпус и герметизируют, обычно исполь­зуют корпуса интегральных микросхем.

Масса ОП составляет 0,8... 1,5 г.

ОП представляет собой четырехполюсник, свойства которого определяются входной, передаточной и выходной характеристиками. Характеристику обратной связи ОП не рассматривают из-за чрезвычайно высокой изоляции входа от выхода. Входной характеристикой ОП служит вольт-амперная характеристика его светодиода, выходной — соответствующая характеристика его фотоприёмника
при заданном токе на входе оптрона. ОП характеризуют следующие основные параметры:

Коэффициент передачи тока К_i=I₂/I₁, представляет собой отношение фототока приёмника I₂ к току излучателя I₁;

быстродействие, определяемое граничной частотой ƒГР и временами нарастания и спада выходного сигнала до уровня 50 % его амплитуды;

сопротивление изоляции R_ИЗ;

проходная ёмкость.

Влияние изменения температуры на ОП определяется температур­ными параметрами светодиода и фотоприёмника. Для GaAs-светодиода и Si-фототранзистора эти зависимости противоположны по знаку.

Уменьшение мощности излучения светодиода с ростом темпера­туры компенсируется увеличением коэффициента передачи Ki ОП в интервале рабочих температур изменяется незначительно. Однако при увеличении температуры возрастают времена нарастания и спада импульса, это следует учитывать при эксплуатации ОП.

Современным ОП присущи некоторые недостатки: значитель­ная потребляемая мощность из-за двойного преобразования энер­гии, высокий уровень собственных шумов, сложность технологии. Осуществляется интенсивное совершенствование ОП. На рис. 3.61 представлены некоторые виды оптронов.

Рис. 3.61. Оптопары:

а, б – диодные; в – транзисторная; г – с составным транзистором; д –

тиристорная; е – резисторная