1.3.3. Светоизлучающие диоды
Светоизлучающим диодом (светодиодом) называется полупроводниковый прибор, служащий для преобразования электрической энергии в энергию оптического излучения на основе инжекционной электролюминесценции, происходящей в p-n-переходе при рекомбинации электронов и дырок при подаче на диод достаточно больших прямых токов.
Наибольшей эффективностью в излучении обладают p-n-переходы на основе полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны ΔW33, таких как GaAs, GaP, SiC. Светодиоды испускают некогерентное излучение с узким спектром. Длина волны излучения λизл зависит от материала полупроводников и их легирования:
(46)
В соответствии с этим выпускаются светодиоды с различным цветом излучения: GaAs – инфракрасное излучение с λизл ≈ 0,9мкм; GaP – оранжево-красные с λизл ≈ 0,6-0,7мкм и SiC – голубое и зеленое излучение с λизл ≈ 0,46-0,6мкм. Яркость излучения большинства светодиодов находится на уровне 103-105кд/м2. КПД светодиодов видимого излучения составляет от 0,01 % до нескольких процентов. Указанная яркость излучения светодиодов, используемых в современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) для визуального воспроизведения информации, реализуется при сравнительно небольших токах (5– 20 мА) и напряжениях (1,5–3 В), что позволяет легко их применять совместно с цифровыми микросхемами, как при низком уровне сигнала на их выходе (рис.41,а), так и высоком (рис. 41,б).
Рис. 41. Схемы присоединения светодиодов к логическому элементу (а – при низком уровне сигнала на выходе логического элемента; б – при высоком)
В современной классификации излучающих полупроводниковых приборов, основным элементом в которых является светодиод, различают полупроводниковые генераторы излучения (для использования в волоконно-оптических линиях передачи информации, в беспроводных линиях связи в пределах прямой видимости, в составе оптоэлектронных пар для преобразования электрического сигнала в оптический, а также для накачки твердотельных лазеров) и полупроводниковые индикаторы – для визуального восприятия информации в РЭА. Широкое применение светодиоды находят в точечных и знаковых сегментных индикаторах в виде матриц и буквенно-цифровых дисплеях, в частности, в виде бегущей строки.
Светодиоды обозначают буквами АЛ, АЛС, ИЛ, КЛ в сочетании с цифрами, например АЛ305А – знаковый светодиод, красного свечения, с яркостью свечения 350 кд/м2. Конструкция и основные характеристики светодиода показаны на рис. 42 и 43.
Рис. 42. Устройство светодиода: 1 – линза; 2 – металлический баллон; 3 – полупроводниковый кристалл с p-n переходом; 4 – изолирующее основание; 5 – выводы
Рис. 43. Характеристики светодиода: а – вольтамперная; б – яркостная
Типовые данные некоторых светодиодов показаны в таблице 2.
Таблица 2
Тип |
Цвет свечения |
Напряжение Uпр, В |
Ток Iпр, мА |
АЛ113А АЛ304В АЛС321А АЛС334А АЛС335А |
Красный Зеленый Желто-зеленый Желтый
|
2 3 3,6 3,3 3,5 |
5 10 20 20 20 |
К особой группе полупроводниковых генераторов излучения следует отнести полупроводниковые лазеры, в которых излучающие p-n переходы размещаются между высококачественными отражателями, образующими оптические резонаторы, благодаря чему излучение становится монохроматическим и когерентным. Эти приборы являются перспективными для передачи информации по оптическим линиям связи вместо проводов [12].