56 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

лавинными стабилитронами может быть достигнута некоторая независимость напряжения пробоя системы от температуры.

Время непрерывной работы отдельных марок кремниевых стабилитронов до выхода из строя превышает несколько десятков тысяч часов, а селеновых стабисторов обычно не достигает и тысячи часов из-за деградации полупроводника.

3.6. Светодиоды

Светодиодом называют такой полупроводниковый компонент, в котором рекомбинацию носителей зарядов сопровождает испускание квантов некогерентного света. При протекании тока через светодиод в прямом включении электроны преодолевают электроннодырочный переход и рекомбинируют, переходя на более низкие энергетические уровни и испуская кванты света. Для изготовления светодиодов пригодны далеко не всякие полупроводники, а только групп AIIBVI и AIIIBV, такие как арсенид галлия, фосфид индия и прочие. Подходящие полупроводники имеют достаточно широкую запрещѐнную зону, чтобы длина излучаемой волны лежала в заданной области спектра. К наиболее важным характеристикам светодиодов относят спектральную и яркостную характеристики. Спектральная характеристика – зависимость вырабатываемой мощности светового потока от длины волны. А яркостная характеристика – это зависимость мощности светового потока от силы тока, протекающего по светодиоду в прямом включении.

К достоинствам светодиодов относят механическую прочность, длительное время наработки на отказ, часто превышающее десять тысяч часов, низкое прямое напряжение, составляющее до нескольких вольт, малую стоимость, возможность функционирования в широком диапазоне температур. Технология изготовления светодиодов не подразумевает обязательного использования сильно токсичных веществ, что также относят к достоинствам.

57 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

Недостаток индикаторных светодиодов для аппаратуры широкого потребления заключѐн в обычно невысоком КПД, составляющим от долей до нескольких процентов.

Светодиоды используют для индикации состояния аппаратуры, а мощные светодиоды применяют для освещения.

3.7. Полупроводниковые лазеры

Лазером называют квантовый генератор монохроматического излучения оптического диапазона волн. Рабочее тело лазеров может быть выполнено:

из газа (на основе азота, аргона, гелия и неона, криптона, ксенона и прочего),

на красителях (кумарине, родамине, гексацианине 3, крезиле фиолетовом и других),

твердотельным (лазером, использующим александрит или титансапфир, рубиновым и прочим),

на полупроводниках (лазеры с квантовыми ямами, лазеры с гетероструктурой на основе арсенида галлия, с раздельным удержанием и другие),

либо тело может быть специфическим, и реализованным на перегретой плазме, на свободных электронах, на солитонах и подобных объектах.

Полупроводниковые лазеры используют, например, для производства лазерных диодов. Основой лазерного диода выступает специально подготовленный электронно-дырочный переход плоскостной конструкции, полученный в полупроводнике электронного типа проводимости, например, из арсенида галлия. Кристалл полупроводника обычно имеет размеры по длине, ширине и высоте менее 500 × 400 × 100 мкм. Упрощѐнная конструкция лазерного диода без соблюдения пропорций показана на рис. 3.4.

58 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

Рис. 3.4. Конструкция лазерного диода Грани пластинок полупроводника, между которыми образован

электронно-дырочный переход, образуют резонатор Фабри-Перо, и играют роль зеркал для попавших в него фотонов, которые будут отражены от нескольких сотен раз до нескольких тысяч раз, прежде чем его покинут. Изначально концентрация электронов на верхних энергетических уровнях изначально ниже концентрации электронов на нижних энергетических уровнях [39, с. 114]. Если подсоединим лазерный диод к внешнему источнику питания в прямом включении, то возникнет инжекция электронов в область дырочной проводимости и их рекомбинация на границе электронно-дырочного перехода, который обладает протяжѐнностью часто менее 2 мкм, сопровождаемая выделением квантов света – фотонов. Концентрация электронов на верхних энергетических уровнях возрастает и начинает превышать концентрацию электронов на нижних энергетических уровнях. Произойдѐт множество отражений от резонатора, в течение которых индуцирующие фотоны инициируют ещѐ большее увеличение рекомбинации и породят новые индуцированные фотоны. Таким образом, фотоны образуют монохроматическое световое

59 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

излучение «L», которое через окно в корпусе покидает лазерный диод.

Следует заметить, что лазеры используют почти всецело для генерации, но не для усиления колебаний. Лазерные диоды нашли широкое применение в спектрографах, лазерных прицелах и дальномерах, их применяют в лазерных принтерах и в медицинских приборах для исследования сетчатки. Лазерные диоды входят неотъемлемой частью системы считывания, стирания и записи информации на лазерных дисках.

3.8. Фотодиоды

Фотодиодом называют фотогальванический приѐмник с электроннодырочным переходом, облучение которого светом вызывает увеличение силы обратного тока. Материалом полупроводника фотодиода обычно выступает кремний, сернистое серебро, сернистый таллий или арсенид галлия. Фотодиод устроен так же, как обычный плоскостной диод, а отличие состоит в прозрачном окне, которое организовано в корпусе фотодиода напротив областей электронного либо дырочного типов проводимостей в полупроводниковом кристалле. Таким образом, через это окно свет попадает внутрь фотодиода и облучает одну из областей электронно-дырочного перехода. Фотодиоды могут быть использованы в одном из двух включений: вентильном или фотодиодном [169, с. 92].

Рассмотрим фотодиодное включение компонента. Последовательно с фотодиодом включим нагрузочный резистор и источник питания, подсоединѐнный плюсом к катоду фотодиода, а минусом к аноду. Пока облучение окна отсутствует, через фотодиод протекает маленький обратный ток Ф0, который называют темновым током, силой от единиц до нескольких десятков микроампер. Это отражено на вольтамперной характеристике фотодиода, показанной на рисунке 3.5.

60 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

Рис. 3.5. ВАХ фотодиода Облучим кристалл слабым световым потоком, к спектру которого

будет чувствителен фотодиод, отчего возникнет генерация электронов и дырок, и обратный ток станет больше (Ф1 > Ф0). Ток, протекающий через нагрузочный резистор, возрастѐт. Если световой поток станет ещѐ значительнее, то соответственно возрастѐт и обратный ток фотодиода (Ф2 > Ф1). Пропускаемый по нагрузочному резистору ток станет ещѐ существенней. Очевидно, что сила тока, протекающего по резистору, и падение постоянного напряжения на нѐм зависят от величины светового потока.

В вентильном включении внешний источник питания не используют, а к выводам фотодиода подсоединяют нагрузочный резистор. Под действием светового потока возникает фотогенерация носителей заряда и фото-ЭДС, на выводах фотодиода появляется постоянное напряжение. Это напряжение подводят к нагрузочному резистору, через который течѐт электрический ток.

Фотодиоды обладают продолжительным сроком наработки на отказ, высокой чувствительностью к регистрируемому излучению, обладают малыми массой и габаритами.