12. Светоизлучающие диоды

12.1. Светодиоды

Эти приборы преобразуют электрическую энергию обтекающего их тока в световое излучение. Как известно, в любом прямо смещенном p- n-переходе имеет место рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс наблюдается в толще кристалла полупроводника и, особенно в близи собственно перехода. Рекомбинация – переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, то есть с более высокого энергетического уровня на более низкий – сопровождается выделением энергии. В германиевом и кремниевом полупроводниках эта энергия тепловая. Лишь очень малая доля электронов зоны проводимости, занимающих очень высокие уровни, в процессе перехода выделяют фотон света. По этой причине в упомянутых полупроводниках протекание прямого тока вызывает лишь их нагрев. В полупроводниках с более отстоящими энергетическими уровнями зоны проводимости от уровней валентной зоны – основная масса электронов, рекомбинирующих с дырками, генерирует фотоны. Кристалл здесь светится. К таким материалам относятся арсенид-фосфид галлия (GaAsP) и просто фосфид галлия (GaP). Такой процесс генерации света называется люминесценцией. Условно структура такого светящегося кристалла представлена на рис. 90. Здесь поверхность не пропускающего свет металлического

внешнего контакта с p-областью мала, чтобы не препятствовать излучению в окружающую среду. Очевидно, что связь между интенсивностью излучения и прямым током через переход прямо пропорциональная. На рис.91б эта связь представлена графиками для различных режимов питания диода током. Характеристики соотнесены к диоду с мощностью рассеяния в 100мВт и максимальным постоянным прямым током 50мА. Как известно, область красного света лежит в пределах 0,62÷0,72 мкм., и как следует из рис.91в, свечение данного диода красное. Поскольку пик интенсивности красного свечения приходится приблизительно на середину красного диапазона, то можно полагать, что свечение данного

диода будет глубоко красным. Коммерчески доступные светодиоды светятся красным, оранжевым, желтым и зеленым светом. Последние три цвета обеспечиваются в кристаллах из фосфида галлия. Внешний вид светодиода представлен на рис.92, а его условное обозначение на схемах на рис.91г.

112

Для наиболее распространенных светодиодов прямое падение напряжения лежит в пределах от 1 до 2,5В. Прямой ток определяется требуемой интенсивностью излучения и составляет от 2 до 20мА. Обратное напряжение не должно превышать 4В во избежание пробоя p-n-перехода. Слабое свечение диода составляет около 1% его электрической входной мощности при температуре +25°С. Эффективность диода практически удваивается при понижении его температуры на каждые 25°С.

Быстродействие светодиодов достаточно высокое. Типичное его значение около 1мкс. Светодиоды широко используются в различных по форме и размеру светодиодных дисплеях. Светящаяся площадка светодиода может иметь протяженность от 2,5 до 25мм. Набором мелких площадок можно воспроизводить, например цифры, рис.92, подавая прямое напряжение смещения на соответствующую комбинацию площадок. Такой дисплей заключается в корпус, рис. 92, имеющий необходимое количество выводов.

Светодиодные устройства очень надежны, их срок службы достигает около 100 000 ч. при мощности потребления от 10 до 150мВт, быстродействие составляет около 0,1мкс.

12.2. Лазерные диоды

113