Светоизлучающие диоды

Это приборы на основе p-n-перехода. Они относятся к электролюминесцентным источникам света, их называют инжекционными светодиодами или просто светоизлучающими диодами (СИД).

СИД – представляет собой p-n-переход, свечение в котором возникает при протекании прямого тока.

Протекании прямого тока сопровождается инжекцией неосновных носителей заряда в базу с последующей их рекомбинацией. При рекомбинации электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону, что сопровождается выделением энергии. Обычно это безизлучательный процесс с выделением энергии, за счет соударений электрона с атомами решетки, в виде тепла, которое идет на нагревание кристалла (Ge, Si). Однако, в ряде случаев (в определенных материалах GaAs, GaSb, InAs, InSb и т.д.), такой переход происходит без соударений и сопровождается выделением кванта света с длиной волны λ=К/ΔЕ, где К – постоянный коэффициент; ΔЕ – ширина запрещенной зоны.

Цвет излучения зависит от материала примесей т.е. ΔЕ. Светодиоды изготовляют из фосфида галлия, арсенида галлия и карбида кремния.

Основные характеристики и параметры светодиода:

1. Вольтамперные характеристики светодиодов показаны на рис. 7.9. Ее параметры: прямой номинальный ток,I_пр.ном., постоянное прямое напряжение.

2. Яркостная характеристика - зависимость яркости от тока имеет вид рис. 7.10. Максимально излучаемая мощность,P_{изл.макс}

3._. Типичный вид спектральных характеристик диодов зеленого, желтого и красного свечения показан на рис. 7.11. Длина излучаемой волны l-

Светодиоды широко используют в качестве индикаторов в устройствах визуального отображения информации, а также в качестве источников света в оптических системах передачи информации. Бывают:

1.В виде отдельных одиночных элементов.

2.В виде полупроводниковых знаковых табло, состоящих из нескольких светодиодов. Наиболее часто они представляют собой семисегментные знаковые индикаторы.

7.2.2. Полупроводниковые лазерные диоды

Светоизлучающие диоды имеют спонтанное некогерентное излучение. Оно складывается из фотонов которые независимы друг от друга.. Мощность его относительно мала. Для повышения мощности излучения применяют полупроводниковые лазерные диоды. Их излучение сконцентрировано в узком диапазоне частот и является когерентным.

Когерентное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличие оптического резонатора. Поэтому обьем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления, чем у окружающей среды. В итоге получают световод, торцы которого с обеих сторон ограничены зеркальными гранями. Он, выполняет роль резонатора. Благодаря резонатору фотоны появившиеся в процессе рекомбинации многократно проходят через световод, отражаясь от его зеркальных граней, прежде чем выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало. Это позволяет получить монохроматическое когерентное излучение.

При токе инжекции ниже порогового значения I_пор, наблюдается спонтанное излучение, как в обычном светодиоде. При увеличении тока до I_пор(I_пор=50-150мА) и выше возникает когерентное излучение и резкое возрастание выходной мощности, например с 5 мкВт/мА до 200 мкВт/мА.

Полупроводниковые лазерные диоды широко применяются при создании волоконно оптических линий связи и в измерительных устройствах различного назначения.

7.3. Оптроны

Это полупроводниковые приборы, состоящие из заключенного в один корпус светоизлучающего прибора и фотоприемника, между которыми, обычно, существует прямая оптическая связь.

Входной электрический сигнал подводится к излучателю и преобразуется им в световой, он через оптическую среду воздействует на фотоприемник и преобразуется им вновь в электрический. Смысл этого преобразования состоит в том, что входная и выходная цепи электрически полностью развязаны, а оптическая связь существует только в прямом направлении от входа к выходу. Основное назначение оптронов – гальваническая развязка электрических цепей между, которыми должна существовать связь для передачи информации.

В простейшем оптроне излучателем является лампочка накаливания, но обычно это инжекционный светодиод, что позволяет обеспечить высокое быстродействие оптронов.

Разновидности оптронов и их условно графические обозначения приведены на рисунке: диод-резисторный оптрон (а); диод-диодный оптрон (б); диод-транзисторный (в); диод-тиристорный оптрон (г).

В диод-диодных оптронах излучателем является светодиод из арсенида галлия оптрон, а фотоприемником кремниевый фотодиод. Оптроны используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10⁶-10⁷Гц. Темновое сопротивление Rт=10⁸-10¹⁰Ом, а сопротивление в открытом состояние порядка 10²-10³Ом. Сопротивление изоляции вход-выход порядка 10¹³-10¹⁵Ом.

Диод-транзисторные оптроны благодаря большей чувствительности фотоприемника экономичнее диодных, однако их частота коммутации не превышает 10⁵Гц.

Диод-тиристорные оптроны благодаря фототиристору позволяют коммутировать токи до 5А при входном, управляющем, токе менее 10мА и времени включении 10^-5сек.

Аналоговые оптроны обычно реализуют на основе фоторезисторов и применяют для различных бесконтактных регулировок. Быстродействие резисторных оптронов невелико, не превышает 10⁵ кГц.

Схема гальванической развязки устрорйств А1 и А2 приведена на рис.

В ней устройство управление А1 и А2 должны иметь точки нулевого потенциала, котрые не должны быть гальванически связыны, т.е сопртивление между ними должно быть по возможности большим.

Световоды

Световоды это оптические волокна – среда распространения оптического излучения. Они находят широкое распространение в оптоволоконных каналах связи. Их главным достоинством является отсутствие помех вызванных электромагнитным воздействием. Световоды можно разделить на две группы: стеклянные и пластмассовые. Пластмассовые дешевле, не ломаются при изгибах, обеспечивают простоту соединения.

Распространение света в световоде достигается использованием материалов с разным коэффициентом преломления n (n₁>n₂). Коэффициент преломления материала сердцевины больше коэффициента преломления материала оболочки. Этим достигается полное внутреннее отражение и распространение света вдоль волокна.