6.3.1. Светоизлучающие диоды
Светоизлучающие диоды выполняются на полупроводниках типа АIIIВV, в которых наиболее сильно проявляется инжекционная электролюминесценция. Если из полупроводника такого типа изготовить p-n-переход и приложить к нему прямое напряжение, то за счет инжекции в базе будут накапливаться неосновные носители, которые, рекомбинируясь, вызывают свечение. Для генерации видимого спектра нужны полупроводники с шириной запрещенной зоны, примерно равной 1,7 эВ. При меньшей ширине запрещенной зоны происходит излучение инфракрасного диапазона (ИК), при большей ширине – ультрафиолетовые. Рекомбинация электронов и дырок может происходить при прямых и непрямых переходах. При рекомбинации выполняется закон сохранения не только энергии (Wф = h), но и импульса (Рф = h/С). Зависимость энергии электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне от импульса представлена на рис. 6.15,а,б.
В первом случае (рис. 6.15,а) переход называется прямым, он не вызывает изменения колебательного состояния решетки. Во втором случае рекомбинация электрона и дырки сопровождается изменением колебательного состояния решетки полупроводника и переход электрона из ЗП в ВЗ носит название непрямого перехода. В этом случае фононы (колебания решетки) распространяются со значительно меньшей скоростью, чем фотоны и могут унести значительно больший импульс Рф при меньшей энергии. Вероятность такого перехода ничтожно мала, однако она сильно возрастает, если есть разрешенные уровни различных примесей в запрещенной зане. В этом случае процесс рекомбинации идет в два этапа. Сначала электроны уходят на уровень примеси, а потом уже переходит в валентную зону. И в первом, и во втором случаях в зависимости от ширины запрещенной зоны расположения энергетических уровней рекомбинированных ловушек в запрещенной зоне процесс рекомбинации может сопровождаться излучением в области оптического спектра. В качестве полупроводникового материала широко используется арсенид галия, фасфид галия, карбид кремния, сульфид кадмия и др. Конструкция может быть разнообразной и их разработка сводится к тому, чтобы обеспечить максимальный выход наружу светового потока и, следовательно, уменьшить поглощение светового потока материалом полупроводника. Светодиоды могут быть выполнены с одним или несколькими светящимися полями. Широко используются семисегментные светодиоды (рис. 6.16) для цифровой индикации и матричные светодиоды (рис. 6.17) для буквенной индикации. Схема включения светодиода и его обозначение представлены на рис. 6.18.
ЭДС питания (Еп) может быть постоянная, переменная, импульсная. Резистор R служит для ограничения прямого тока, величина которого составляет десятки миллиампер. Основные характеристики светодиода – это спектральная (рис. 6.19,а), ампер-яркостная (рис. 6.19,б) и вольтамперная (рис. 6.19,в).
Основные параметры: сила света, постоянный прямой ток, постоянное прямое и обратное напряжение, температура окружающей среды, цвет свечения и т.д.