Полупроводниковые излучатели

Полупроводниковый излучатель – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию электромагнитного излучения в энергию видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения все шире применяются светоизлучающие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называют инжекционными светодиодам, а свечение, возникающее в светодиодах, относят к появлению так называемой инжекционной электролюминесценции.

Электролюминесценцией называется испускание света твердым телом под действием приложенного электрического напряжения. В процессе электролюминесценции происходит непосредственное преобразование энергии электрического поля в излучение. Этот вид излучения обусловлен рекомбинацией носителей.

Электролюминесценция бывает в основном двух видов: предпробойная и инжекционная.

Предпробойная электролюминесценция возникает при больших напряженностях электрического поля, близких к пробойным. Однако в отличие от явления электрического пробоя для возникновения электролюминесценции достаточно, чтобы поле большой напряженности могло существовать в небольшом объеме люминесцирующего кристалла, например, возле р-n-перехода или у электрода. Остальной объем кристалла в этом случае не дает возможности развиться пробою, разрушающему электролюминесцирующий материал.

Инжекционная электролюминесценция в отличие от предпробойной требует приложения к образцу небольших разностей потенциалов порядка нескольких вольт. Основное значение здесь имеет характер контактов между электродами и светящимся веществом. При включении светодиода в обратном направлении инжекции носителей не будет, ток будет малым, и инжекционной электролюминесценция не будет.

Инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оптического излучения в р-n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию.

Принцип работы светодиодов заключается в следующем (рис.3.1). При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов в n-области больше, чем концентрация дырок в p-области, т.е. n_n>p_p, то происходит инжекция электронов из n-области в p-область. Инжектированные электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, в данном случае с дырками p-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. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны DW, т.е.

hn = hc / l » DW. (3.1)

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны DW (в эВ), необходимую для излучения с той или иной длиной волны l (в мкм):

DW»1,23l. (3.2)

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

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

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах (единица силы света, испускаемая стандартным специальным источником) и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет единицы –сотни мКд.

2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (десятки – сотни кандел на см²).

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

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

5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток (десятки мА).

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

7. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (например, от –60 до +70⁰С).

Рис - Спектральная характеристика

Для светодиодов обычно рассматриваются следующие характеристики. Яркостная характеристика дает зависимость яркости от прямого тока, а световая характеристика – зависимость силы света от прямого тока. Спектральная характеристика показывает зависимость излучения от длины волны. Вольтамперная характеристика светодиода такая же, как и у обычного выпрямительного диода, но отличается большими значениями напряжений (прямое напряжение 2-3 В). 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^-8с после подачи на диод импульса прямого тока.

Светодиоды конструируют так, чтобы наружу выходил как можно 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: линейной светодиодной шкалы, цифро-буквенного светодиодного индикатора и др.

В одном корпусем может находится несколько светодиодов различных цветов для получения возможности изменения цвета свечения или получения белого цвета.

Фотоприемники (общие сведения)

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 10²² см^-3) и не может заметно увеличится под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. В результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.