Принцип дії та характеристики світло діодів

 

Рисунок 71 Структура світло діодів

 

Для виготовлення світло діодів використовуються напівпровідники, у яких велика заборонена зона (більше 1,7 еВ) це кремній, арсенід галію та ін. Фізичні явища, обумовлені збудженням електронів матеріалу внаслідок зовнішньої дії, при якій відбувається випромінювання – називаються люмінесценцією, а тіла – люмінофорами. Вони діляться на декілька груп в залежності від джерел збудження:

Електролюмінофори; Фото люмінофори; Катодо люмінофори; Рентгено люмінофори.

При збудженні електронів та при їх інжекції, під дією прямої напруги на електронно-дірковому переході, відбувається рекомбінація носіїв заряду в самому p-n-переході або поблизу нього. Щоб кванти енергії – фотони, які звільнилися після рекомбінації, виходили на поверхню, необхідно, щоб енергія була достатньою, а це можливо при умові, коли ширина забороненої зони відносно велика. В цьому випадку рекомбінаційна складова прямого струму буде набагато більше інжекційної складової, а збудження електронів відбувається спонтанно, то випромінювання фотонів, що звільнилися, буде не когерентним.В залежності від матеріалу, з якого утворений р-n- перехід, некогерентне випромінювання може перекривати весь діапазон видимого світла. Якщо б рекомбінація електронів та дірок після утворення не рівноважного стану проходила тільки з випромінюванням фотонів, то внутрішній квантовий вихід був би стовідсотковим, але значна частина процесів рекомбінації закінчується виділенням енергії в вигляді теплових коливань кристалічної гратки – фононів. Такі переходи електронів між енергетичними рівнями називають не випромінюючими. Вони залежать від структури енергетичних зон напівпровідника або наявністю не випромінюючих захватів дірок і електронів. Тому при утворенні світло діодів використовують спеціальні напівпровідники та форми виготовлення, щоб зовнішній квантовий вихід був якомога більшим. Для цього при виготовленні світло діодів застосовуються різні методи.

Тіло світло діоду виготовляють з кристалу з маленьким об’ємом до 1 мм³. Якщо його виготовляють у вигляді куба, то при переході кванта світла із одного середовища в інше коефіцієнт переломлення може бути таким, що по всьому об’єму світло діоду практично не буде зовнішнього випромінювання, тому що шляхи переломлення будуть більше припустимих, і кванти світла, переломлюючись декілька разів в об’ємі, не будуть виходити на поверхню. Щоб позбавитись цього недоліку, кристал світло діода виготовляють у вигляді півкола, щоб забезпечити приблизно однаковий коефіцієнт переломлення між кристалом та зовнішнім середовищем. В цьому випадку коефіцієнт зовнішнього виходу може досягати декількох десятків відсотків. Внутрішнім виходом називається відношення кількості фотонів до кількості рекомбінованих пар носіїв заряду, а зовнішнім виходом – відношення кількості фотонів, які випромінюються світло діодом, до кількості отриманих внаслідок внутрішнього виходу. В залежності від джерела збудження люмінофори ділять на декілька груп.

Світло діоди характеризуються наступними параметрами та характеристиками:

Характеристика яскравості

Характеризує залежність яскравості випромінювання світло діода від величини струму, який проходить в прямому напрямі. При невеликому струмі, якийпроходить через р-n- перехід, кількість електронів, які випромінюють фотони, незначна і тому характеристика практично лінійна, тому що рекомбінація носіїв відбувається в р-n- переході або в слабо легованій області, яка прилягає до р-n-переходу.

При збільшенні струму значна кількість електронів здатна перейти із збудженого не рівноважного стану з зони провідності в валентну зону і зі збільшенням струму ділянка характеристики приблизно лінійна, і ця ділянка вольт-амперної характеристики є робочою ділянкою та визначає режим роботи світло діоду. По цій характеристиці визначають верхню і нижню межу робочих напруг світло діода.

Нижня межа робочої напруги визначається граничною напругою світло діода, яка дає можливість випромінювання квантів світла при переході електрона зі збудженого стану в рівноважний. Верхня межа робочих напруг визначається допустимою потужністю випромінювання теплової енергії світло діодом.

Світло діод відноситься до токових елементів електроніки, тому що випромінювання відбувається при прямому включенні р-n- переходу, та керування відбувається величиною струму.

2. Окрім характеристики яскравості світло діоди, як елемент електричної схеми, характеризуються вольт - амперними характеристиками світло діода. Відрізняються характеристики одна від іншої в залежності від напівпровідників та їх ширини забороненої зони.

Рисунок 72 Вольт - амперні характеристики та характеристика яскравості світло діодів.

3. Основною характеристикою світло діоду є спектральна характеристика.

Спектральна характеристика – це залежність інтенсивності випромінювання від довжини хвилі випромінюваного світла або від енергії випромінюваних квантів.

Рисунок 73 Спектральна характеристика видимості ока людини

 

В залежності від використання, світло діоди виготовляються на різну хвилю випромінювання, і характеристика видимості для світло діода являється визначальною. Якщо світло діод використовується для індикації, то найбільш економічним з точки зору людського ока є зелене світло. Якщо світло діод використовується для запису інформації на фото чутливі матеріали, то спектральні характеристики можуть знаходитись в області ультрафіолетових, червоних та ін. свічень.

Довжина хвилі випромінюваного світла визначається різницею енергій двох енергетичних рівнів, між якими відбувається перехід електронів на випромінюваному етапі процесу рекомбінації. Це визначається шириною забороненої зони напівпровідника Коли електрон переходить із зони провідності у валентну зону, то випромінювання знаходиться в діапазоні видимого світла та інфрачервоного випромінювання, якщо довжина хвилі λ досягає 920 – 980 мкм.

 

Рисунок 74 Спектральні характеристики різних світло діодів

1, 3 – арсенід галію, фосфід

2, 4 – карбід кремнію

 

Як елемент електричної схеми світло діод характеризується інерційністю. Вона визначається по характеристиці яскравості. Це – час між постійним загорянням та затуханням світло діода, який прийнято міряти при умові, що яскравість випромінювання змінюється від (0,1÷0,9) максимальної.

Коефіцієнт корисної дії визначає – ефективність світло діода. Він залежить від внутрішнього квантового виходу та конструкції світло діода. Для сучасних світло діодів цей коефіцієнт досягає до декількох десятків відсотків, тому що більша кількість фотонів поглинається в напівпровідникових матеріалах.

Термін служби і надійність.

Світло діоди виготовляються по декілька штук в одному монокристалі. В цьому випадку керування відбувається кожною окремою секцією. Їх кількість може бути різною, і для відображення інформації найбільш часто використовуються семи сегментні індикатори. Вони можуть бути виготовлені як в напівпровідникові так і в різних рідинно-кристалічних матеріалах. На цих індикаторах можна отримати цифри або літери, і вони можуть використовуватись в різних табло.

 

ЛАЗЕРИ

 

Лазер – це випромінюючий напівпровідниковий прилад, який призначений для безпосереднього перетворювання електричної енергії або енергії некогерентного випромінювання в енергію когерентного випромінювання.

Спонтанне некогерентне випромінювання світло діодів обумовлено процесом переходу атомів із одного рівня на інший, тобто перехід із збудженого стану в рівноважний. Якщо при протіканні такого процесу на люмінесцентне середовище подіяти світловою хвилею, частота якої відповідає резонансній частоті даного виду випромінювання, то атоми, які знаходяться в збудженому стані, при переході у рівноважний стан будуть випромінювати хвилю, близьку до такої, яка діє на люмінесцентне середовище. При цьому фотони світла, що генеруються, не будуть відрізнятися від фотонів, що спричинили резонансне явище, і підсилене світло буде випромінюватися в навколишнє середовище. Це явище використовується в лазерах. Для генерації фотонів світла необхідні наступні умови:

наявність активного середовища, випромінюючого світло,

пристрій для збудження активного середовища,

резонатор.

Напівпровідниковий лазер (НПЛ ) виготовляється з напівпровідників із домішками, на межі яких створюється p-n-перехід, або гетеро перехід, створений в напівпровідниках з різною шириною забороненої зони.

В напівпровідниковому лазері використовується явище інжекції, тому такі лазери називаються інжекційними. Для створення інжекційного лазера, як і для звичайного діода, створюють p-n-перехід, який має базу і емітер. При цьому база виготовляється слабо легованого, а емітер для збільшення інжекції носіїв через p-n-перехід із високолегованого напівпровідника.

Конструктивно напівпровідниковий лазер виготовляється в вигляді куба або паралелепіпеда об’ємом біля 1мм². Легування проводиться так, щоб між областю n і р можна було створити зону з інверсною населеністю електронів, або дірок. Три грані шліфуються, дві з них строго паралельні для відбиття променя.

В зоні з інверсною населеністю створюється когерентне коливання. Четверта грань робиться прозорою, і через неї відбувається випромінювання.

В напівпровідниковому лазері з інжекційним випромінюванням відбувається безпосередньо перетворення електричної енергії в світлове випромінювання.

 

Рисунок 75 Структура напівпровідникового лазера та схема створення лавини фотонів 1 – зона з інверсною населеністю, 2 – шліфовані грані

 

Кванти світла, які не рухаються строго перпендикулярно торцям кристалу, виходять із активної зони з інверсною населеністю і не викликають примусової рекомбінації. А кванти, які рухаються строго перпендикулярно торцям кристалу, можуть багато разів пройти через активну область з інверсною населеністю, і тим самим створити примусову рекомбінацію і лавину квантів світла.

Найбільше використання отримали інжекційні лазери із арсеніду галію. Щоб зробити необхідний коефіцієнт відбиття від торців, їх покривають спеціальним шаром речовин, і квант світла після багатократного відбиття виходить із напівпровідника під вузьким кутом. Коефіцієнт відбиття таких інжекційних лазерів лежить в межах від 35% до 100%.

Для створення інверсної населеності значно простої конструкції лазера використовують гетеро переходи. У цих лазерів базову область виготовляють із напівпровідника з меншою шириною забороненої зони і великою діелектричною проникливістю. Зону емітера виготовляють сильно легованою із великою шириною забороненої зони. При інжекції носіїв в базу вони попадають в потенційну яму, а різні показники переломлення за рахунок різних діелектричних проникливостей бази і емітера приводить до повного внутрішнього відбиття квантів в гетеро переходах. Таким чином область бази виконує функцію світловоду.