СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

Вкачестве малоинерционных полу­проводниковых источников излучения все шире применяются светоизлучаю-щие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называют инжекционными светодиода-ми. А свечение, возникающее в свето-диодах, относят к явлению так назы­ваемой инспекционной электролюмине­сценции.

Свечение полупроводникового диода наблюдал еще в начале 20-х годов в Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев во время своих экспери­ментов по генерации электрических ко­лебаний с помощью кристаллического детектора. Однако дальнейшее изучение этого явления началось лишь в середи­не 50-х годов. В настоящее время про­мышленность выпускает десятки типов светодиодов и более сложных индика­торных приборов, представляющих со­бой комбинации тех или иных свето­диодов.

Принцип работы светодиодов за­ключается в следующем. При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей за­ряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов в и-области больше, чем кон­центрация дырок в р-области, т. е. п„ > > р_р, то происходит инжекция электро­нов из и-области в р-область. Инжек­тированные электроны рекомбинируют с основными носителями базовой об­ласти, в данном случае с дырками р-области. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергети­ческих уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны (рис. 13.15). При этом выделяется фо­тон, энергия которого почти равна ши­рине запрещенной зоны AW, т. е.

Подставляя в эту формулу постоян­ные величины, можно определить шири­ну запрещенной зоны AW (в электрон-вольтах), необходимую для излучения с той или иной длиной волны X (в микрометрах):

(133)

Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупровод­ник должен иметь AW> 1,7 эВ. Герма­ний и кремний непригодны для свето­диодов, так как у них ширина запре­щенной зоны слишком мала. Для совре­менных светодиодов применяют глав­ным образом фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC, а также некоторые

Рис. 13.15. Излучение при рекомбинации

тройные соединения, называемые твер­дыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или гал­лия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета.

Помимо светодиодов, дающих види­мое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного (ИК) излучения, изготов­ляемые преимущественно из арсенида галлия GaAs. Они применяются в фото­реле, различных датчиках и входят в состав некоторых оптронов.

Существуют светодиоды переменно­го цвета свечения с двумя светоизлу-чающими переходами, один из которых имеет максимум спектральной характе­ристики в красной части спектра, а дру­гой — в зеленой. Цвет свечения такого диода зависит от соотношения токов через переходы. Наилучшими качества­ми обладают светодиоды с гетеропере­ходом.

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел. Напомним, что кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.

2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет- десятки — сотни кандел на квадратный сантиметр.

3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).

4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.

5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток. Обычно он составляет десятки миллиампер.

6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы вольт).

7. Диапазон температур окружающей среды,' при которых светодиод может нормально работать, например от —60 до +70°С.

Для светодиодов обычно рассматриваются следующие характеристики. Яр-костная характеристика дает зависи­мость яркости от прямого тока, а све­товая характеристика — зависимость си­лы света от прямого тока. Спектраль­ная характеристика показывает зависи­мость излучения от длины волны. Вольт-амперная характеристика светодиода та­кая же, как у обычного выпрямитель­ного диода. Важной характеристикой является диаграмма направленности из­лучения, которая определяется конструк­цией диода, в частности наличием лин­зы, и другими факторами. Излучение может быть направленным или рассеян­ным (диффузным).

Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются. Быстродей­ствие у светодиодов высокое. Свечение возрастает до максимума в течение примерно 10~⁸ с после подачи на диод импульса прямого тока.

Светодиоды конструируют так, что­бы наружу выходил возможно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупро­воднике и полного внутреннего отраже­ния на границе кристалл — воздух. Кон­структивно светодиоды выполняются в металлических корпусах с линзой, обес­печивающей направленное излучение, или в прозрачном пластмассовом кор­пусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются также бескорпусные ди­оды. Масса диода составляет доли грам­ма.

Светодиоды являются основой более сложных приборов.

Линейная светодиодная шкала пред­ставляет собой интегральную микро­схему, состоящую из последовательно размещенных светодиодных структур (сегментов), число которых может быть от 5 до 100. Такие линейные шкалы могут заменять щитовые измеритель­ные приборы и служат для отображе­ния непрерывно изменяющейся инфор­мации.

Цифро-буквенный светодиодный ин­дикатор также сделан в виде интеграль­ной микросхемы из нескольких свето-

диодных структур, расположенных так, чтобы при соответствующих комбина­циях светящихся сегментов получалось изображение цифры или буквы. Одно­разрядные индикаторы позволяют вос­произвести одну цифру от 0 до 9 или некоторые буквы. Многоразрядные ин­дикаторы воспроизводят одновременно несколько знаков. У большинства ин­дикаторов сегменты имеют вид полосок (обычно 7 для каждого разряда). Вы­пускаются также матричные индикато­ры, имеющие 35 точечных светодиод­ных элементов, из которых синтезиру­ются любые знаки. Достоинство мат­ричного индикатора с большим числом элементов заключается в том, что отказ одного из элементов матрицы не при­водит к ошибке при воспроизведении знака. А в 7-сегментных индикаторах отказ одного сегмента часто делает не­возможным правильное прочтение отоб­ражаемого знака.

В течение ряда лет разрабатыва­ются многоэлементные блоки, содер­жащие десятки тысяч светодиодов для получения сложных изображений. На этом принципе могут быть созданы плоские экраны для телевизионных при­емников, заменяющие кинескопы.

Параметры и характеристики цифро-буквенных индикаторов аналогичны тем, которые приводятся для обычных свето­диодов. Цифро-буквенные индикаторы широко используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники, микрокальку­ляторах, электронных часах и др.