Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

131

Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами (рис. 7.3,а), один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой в зеленой. Структура имеет три вывода (1, 2, 3 на рис. 7.3,а), что позволяет осуществлять раздельное управление током каждого p–n перехода.

Изменяя токи переходов, удается менять цвет свечения от желтозеленого до красно-желтого оттенка, а также получать чистые красный и зеленый цвета. Принципиальная схема такого светодиода представлена на рис. 7.3,б.

7.2. Характеристики светодиодов

Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная.

На рис. 7.4 представлены вольтамперные характеристики светодиодов из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что

объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают преимуще-

132

ственно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения.

Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 7.5).

В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.

Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носителей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность удар-

ной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше.

Спектральная характеристика – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов (рис. 7.6). Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с

133

разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики.

На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм.

7.3. Основные параметры светодиодов

1.Сила света IV – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд), и составляет десятые доли – единицы мкд. Кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.

2.Яркость излучения равна отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки–сотни кд/см2.

3.Постоянное прямое напряжение – падение напряжения на диоде при заданном токе (2…4 В).

4.Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку.

5.Максимально допустимый постоянный прямой ток, составляет десятки мА и определяет максимальную яркость излучения.

6.Максимальноедопустимоепостоянноеобратноенапряжение(единицыB).

7.Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока

(рис. 7.7).

Время переключения tпер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезарядки барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода.

8.Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод со-

храняет свою работоспособность (–60…+70 °C). 9. Срок службы составляет 104…106 часов.

134

Существенным недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры и продолжительности эксплуатации. С повышением температуры яркость и сила света уменьшаются, несколько увеличивается длина волны излучения. Это увеличение обусловлено тем, что с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника. Постоянное уменьшение мощности излучения (деградация) при длительном протекании через прибор прямого тока связано с увеличением концентрации

центров безизлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов.

Итак, характерными свойствами светодиодов является их высокая надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, масса, потребляемая мощность, возможность изготовления светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечения, совместимость с интегральными микросхемами.

7.4. Полупроводниковые приемники излучения

Фотоприемники – это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Функции фотоприемников могут выполнять фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т.д.

Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо иметь согласованные спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприемников.

Работа фотоприемников основана на одном из видов фотоэлектрических явлений:

–внутренний фотоэффект;

–изменение электропроводности вещества при его освещении;

–внешний фотоэффект – испускание веществом электронов под действием света (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах);

–фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света.

135

Так как приборы, использующие внешний фотоэффект, трудно сопрягаются с интегральными микросхемами, в данном разделе они не рассматриваются.

При внутреннем фотоэффекте происходит возбуждение электронов вещества, т.е. их переход на более высокий энергетический уровень, что приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и электрических свойств вещества.

Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам, а в металлах не наблюдается.

7.5. Фоторезисторы

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под действием оптического излучения. Впервые явление фотопроводимости было обнаружено у селена У. Смитом в 1873 году.

Фоторезисторы применяются в тех электронных устройствах, где определяющими факторами являются их высокая чувствительность, большие значения фототока, большая рабочая площадь фотоприемника, а инерционность несущественна.

Фоторезистор включают в цепь источника ЭДС любой полярности. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. В качестве полупроводникового материала для фоторезисторов обычно используют сульфид кадмия, сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, селенид кадмия или сульфид цинка. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды, иногда электроды наносят непосредственно на диэлектрическую подложку перед осаждением полупроводникового слоя.

Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя, расположенного между электродами, называют рабочей площадкой. При отсутствии освещенности рабочей площадки фоторезистор имеет максимальное сопротивление, называемое темновым, которое составляет 104…107 Ом. По цепи протекает малый темновой ток Iт, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда. Фоторезистор обладает начальной проводимостью σ0, которую называют темновой

σ0 = q(n0µn + p0µp ) ,

(7.1)

где q – заряд электрона; µ – подвижность носителей;

σ™ = q(∆nµn + ∆pµp ) ,

136

n0, p0 – концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии.

Под действием света в полупроводнике генерируются избыточные носители, концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину ∆n, ∆p. Проводимость полупроводника изменяется на величину

(7.2)

называемую фотопроводимостью. При изменении яркости освещения, изменяется фотопроводимость полупроводника. Концентрация неравновесных носителей, определяющих фотопроводимость, зависит от параметров полупроводника (ширины запрещенной зоны, типа проводимости, коэффициента преломления и др.) и механизма поглощения. Полная проводимость полупроводника равна σ = σ0 + σф.

В беспримесном полупроводнике концентрации избыточных носителей равны ∆n = ∆p , а фотопроводимость называется биполярной (собственной). В примесных полупроводниках преимущественно возрастает концентрация носителей только одного знака – основных и в меньшей степени – неосновных, а их фотопроводимость называется примесной (униполярной).

Изменение проводимости полупроводника при освещении фоторезистора приводит к возрастанию тока в цепи. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.

7.6. Характеристики фоторезистора

Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость тока через фоторезистор I от напряжения U, приложенного к его выводам, при неизменной величине светового потока (рис. 7.8). В рабочем диапазоне напряжений вольт-амперные характеристики фоторезисторов при различных значениях светового потока практически линейны (линейны в пределах допустимой для них мощности рассеяния).

Энергетическая (световая или люксамперная) характеристика представляет собой зависимость фототока от падающего

светового потока при постоянном приложенном напряжении к фоторезистору

137

(рис. 7.9). При малых световых потоках она линейна, а с ростом светового потока рост фототока замедляется за счет возрастания рекомбинации носителей через ловушки и уменьшения их времени жизни. Если вместо светового потока берется освещенность Е в люксах, то энергетическую характеристику называют люкс-амперной.

Cпектральная характеристика фоторезистора есть зависимость фототока от длины волны падающего светового потока (рис. 7.10). При больших длинах волн, т.е. при малых энергиях квантов

света по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника, энергия кванта оказывается недостаточной для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. В связи с этим каждый полупроводник и фоторезистор имеет наибольшую (пороговую) длину волны. Она определяется по уров-

ню 0,5×Iмакс со стороны больших длин волн.

Из-за роста показателя преломления при уменьшении длины волны падающего света спектральная характеристика имеет спад при малых длинах волн. В связи с различной шириной запрещенной зоны полупроводниковых материалов, используемых для изготовления фоторезисторов, спектральная характеристика может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовойчастях спектра.

7.7. Параметры фоторезистора

1.Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения. Оно измеряется через 30 с после затемнения фоторезисто-

ра, предварительно находившегося при освещенности 200 лк, и составляет

104...107 Ом.

2.Удельная интегральная чувствительность – отношение фототока к произведению светового потока на приложенное напряжение

138

S	=	Iф	.	(7.3)
ф инт		ФU

Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава при освещенности 200 лк. Она лежит в пределах десятые доли – сотни мА/В.

3. Граничная частота fгр – это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в 2 раз по сравнению с чувствительностью при немодулирован-

ном потоке; fгр ≈ 103…105 Гц.

4. Температурный коэффициент фототока – коэффициент, показывающий изменение фототока при изменении температуры и постоянном световом потоке

αT =	dIф		1			Ф=const ,	αT ≈10−3...10−4град−1.	(7.4)
	Iф		∂T

5. Рабочее напряжение – зависит от размеров фоторезистора, т.е. от расстояния между электродами, и лежит в пределах от единиц до сотен вольт.

7.8. Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p–n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

–без внешнего источника электрической энергии (вентильный или фотогенераторный, фотогальванический режим);

–с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).

Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис. 7.11. При отсутствии светового потока на границе p– n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход на-

встречу друг другу протекают два тока – Iдр и Iдиф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области –

139

дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n– область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р–области, а электронов в n– области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС

Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода Uхх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии ∆Iдиф основных носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:

IΣ = Iдр + Iф −Iдиф − ∆Iдиф = 0 .

(7.5)

Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

При подключении нагрузки к освещенному фотодиоду (ключ замкнут), в электрической цепи появится ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. Значение тока зависит от фото-ЭДС и сопротивления нагрузки, максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода будет при сопротивлении резистора, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода уменьшается.

Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:

qU
Iф общ = Iф − I0 (e kT −1) ,	(7.6)

где Iф – фототок;

I0 – тепловой ток p–n перехода; U – напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи (Rн=∞, Iф общ=0) легко выразить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:

	Uхх =	kT	ln(1+	Iф	) .	(7.7)
		q		I0

140

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

`В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении (рис. 7.12). При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток Iо, который называют темновым. Темновой

ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок , определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.

При правильно подобранном сопротивлении нагрузки Rн и напряжении источника питания этот ток будет зависеть только от освещенности прибора, а падение напряжения на сопротивлении можно рассматривать как полезный сигнал.

Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.

7.9. Характеристики и параметры фотодиода

Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками, приведенными на рис. 7.13, 7.14.

Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 7.13,а). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших напряжениях практически совпадают.