Кристалл CdS 3 страница

Молекулярный генератор на аммиа­ке создает колебания с частотой 23,87 ГГц, что соответствует длине волны примерно 1,25 см. Мощность такого генератора очень мала и состав­ляет Ю^-9 —10~¹⁰ Вт. Главная особен­ность молекулярного генератора на ам­миаке — высокая стабильность частоты. Относительная нестабильность частоты А/// за несколько часов работы не пре­вышает Ю^-10. Подобный генератор мо­жет быть использован в качестве стан­дарта частоты.

Еще более высокую стабильность частоты имеет генератор на пучке ато­мов водорода. Он отличается от гене­ратора на аммиаке тем, что для селек­ции возбужденных и невозбужденных атомов используется неоднородное маг­нитное! поле, а не электрическое. Это объясняется наличием у атомов водоро­да некоторой намагниченности. Неодно­родное магнитное поле прижимает к оси возбужденные атомы водорода и откло­няет от оси невозбужденные. Поэтому в объемный резонатор влетают возбуж­денные атомы водорода и, возвращаясь внутри резонатора в невозбужденное состояние, генерируют электромагнит­ные волны длиной 21 см. На такую волну настроен объемный резонатор. Относительная нестабильность частоты водородного генератора может быть Ю^-13 —Ю^-15. Мощность не превышает Ю^-9 Вт. Аналогично водородному ра­ботает генератор на атомах паров цезия. Молекулярные и атомные кван­товые генераторы применяются для точ­ного отсчета времени — в молекулярных и атомных часах.

12.7. КВАНТОВЫЕ

ПАРАМАГНИТНЫЕ

СВЧ-УСИЛИТЕЛИ

Эти усилители применяются для уси­ления электромагнитных колебаний в диапазоне миллиметровых, сантиметро­вых и дециметровых волн. Принцип работы состоит в том, что возбужден­ные ионы активной среды при переходе электронов с более высоких энергети­ческих уровней на более низкие отдают энергию электромагнитной волне и тем самым усиливают ее. В качестве актив­ной среды используются парамагнитные вещества. Обычно это диамагнитные кристаллы с примесью парамагнитных ионов, например рубин с примесью ионов хрома. Напомним, что парамагнитными называют вещества, у которых атомы обладают магнитными свойствами.

Парамагнитные ионы имеют ту осо­бенность, что положение энергетических уровней в них зависит от воздействия внешнего магнитного поля. Чем сильнее это поле, тем выше разность энергий между уровнями, так как уровни «рас­ходятся». Тогда при переходе электрона с верхнего уровня на нижний излучает­ся квант с большей энергией, что соот­ветствует более высокой частоте.

Квантовые парамагнитные усилите­ли могут быть различных типов. В так называемых резонаторных усилителях парамагнитный кристалл помещается внутри объемного резонатора, имеюще­го две резонансные частоты. От источ­ника накачки, которым, например, может быть клистронный генератор (см. гл. 25), колебания поступают в резонатор и возбуждают парамагнитные ионы актив­ной среды. Частота генератора накачки равна одной из резонансных частот объемного резонатора и бывает значи­тельно выше частоты усиливаемых ко­лебаний. В объемный резонатор посту­пает также усиливаемый сигнал, частота которого равна второй, менее высокой резонансной частоте. Волна этого сиг­нала многократно отражается от стенок резонатора и многократно проходит че­рез активную среду, за счет чего уси­ливается. Объемный резонатор с актив­ной средой должен сильно охлаждаться (обычно с помощью жидкого гелия, дающего охлаждение до температуры, близкой к абсолютному нулю). Вся эта система расположена между полюсами сильного магнита или электромагнита. Усиленная волна выходит из резонатора через то же отверстие, через которое в резонатор поступает усиливаемый сиг­нал.

Основной недостаток однорезона-торного квантового усилителя — сравни­тельно узкая полоса частот, в пределах которой возможно усиление. Более ши­рокую полосу и большее усиление дают усилители с несколькими резонаторами, но они сложны в настройке.

Значительно лучше квантовый пара­магнитный усилитель бегущей волны. В нем отсутствует резонатор, который придавал резонаторному усилителю уз­кополосные свойства. В усилителе бегу­щей волны вместо объемного резона­тора имеется волновод, вдоль которого размещена активная среда. В волноводе распространяется волна усиливаемого сигнала и волна колебаний накачки. Усиление от активной среды тем боль­ше, чем дольше взаимодействует с ней усиливаемая волна. Для более длитель­ного взаимодействия применена замед­ляющая система, например в виде ряда штырей («гребенка»), которая уменьшает скорость волны в десятки раз (см. гл. 25). Соответственно увеличивается время прохождения волны через актив­ную среду и возрастает усиление. Если бы не было замедляющей системы, то пришлось бы сделать усилитель очень большой длины. В современных кванто­вых усилителях бегущей волны достига­ется коэффициент усиления мощности, равный сотням и даже тысячам.

Подобный усилитель, как и резона-торный, помещается в сильное магнит­ное поле и сильно охлаждается. Этот усилитель широкополосный. Полоса пропускаемых частот составляет десятки мегагерц, и можно перестраивать усили­тель на разные частоты, изменяя напря­женность внешнего магнитного поля и частоту накачки. Перестройка возможна в пределах сотен и даже тысяч мега­герц.

Исключительно важное достоинство квантовых усилителей — малые собствен­ные шумы, что, в частности, объясня­ется низкой температурой, при которой работают эти усилители. Поэтому они пригодны для приема очень слабых сиг­налов. Приемные устройства высокой чувствительности для радиолокации кос­мических объектов и радиосвязи с ними, а также для радиоастрономии обычно имеют в качестве входного каскада квантовый усилитель. Его собственный шум может быть в десятки и сотни раз меньше, чем у других типов усилителей. Квантовые усилители маломощны, но это их свойство не имеет значения, так как они применяются для усиления очень слабых сигналов.

¹ Интегральная чувствительность — от­ношение фототока к вызвавшему его потоку белого (немонохроматического) света.

13.1. 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 увеличиться 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. А в результате рекомбинации электро­нов и дырок в полупроводниках обра­зуются фотоны, и при некоторых усло­виях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излуче­ния.

В следующих параграфах рассматри­ваются наиболее широко применяемые полупроводниковые приборы, работаю­щие в качестве приемников или источ­ников излучения, а также приборы, представляющие собой сочетание источ­ников и приемников излучения и полу­чившие название оптронов. Многие из описанных в этой главе приборов изго­товляются не только в виде дискретных элементов для РЭА, но уже входят и в состав интегральных микросхем.

13.2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротив­ление которого изменяется под дей-

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

ствием излучения. Принцип устройства фоторезистора поясняется на рис. 13.1, а. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контак­тами 3 по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 13.1,6. Полярность источника питания не играет роли.

Если облучения нет, то фоторези­стор имеет некоторое большое сопро­тивление R_T, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторе­зистора и составляет 10⁴— 10⁷ Ом. Соот­ветствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При дей­ствии излучения с достаточной энерги­ей фотонов на фоторезистор в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменьшается.

Для фоторезисторов применяют раз­личные полупроводники, имеющие нуж­ные свойства. Так, например, сернистый свинец наиболее чувствителен к инфра­красным, а сернистый кадмий — к види­мым лучам. Фоторезисторы характери­зуются удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью ⁱ, отнесенной к 1 В приложенного напря­жения:

Б_уа = 1/(Фи), (13.1)

где Ф — световой поток.

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энерге­тическую характеристику (рис. 13.2). К параметрам фоторезисторов кроме тем-нового сопротивления и удельной чув­ствительности следует еще отнести мак­симальное допустимое рабочее напряже­ние (до 600 В), кратность изменения

Рис. 13.1. Принцип устройства и схема вклю­чения фоторезистора

Ф

U О Рис. 13.2. Вольт-амперная (а) и энергетиче­ская (б) характеристики фоторезистора

товой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происхо­дит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обрат­ный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным (рис. 13.3). Вольт-амперные характери­стики / = f(U) при Ф = const для фото­диодного режима (рис. 13.4) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с об­щей базой. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток /₀, который называют темновым. А под действием светового потока ток в диоде возраста­ет и характеристика располагается вы­ше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного на­пряжения на диоде незначительно уве­личивает ток. Но при некотором на­пряжении возникает электрический про­бой {штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фото­диода / = / (Ф) при U = const линейны и мало зависят от напряжения (рис. 13.5).

сопротивления (может быть до 500), тем­пературный коэффициент фототока ТКФ = Д//(/ AT). Значительная зависи­мость сопротивления от температуры, характерная для полупроводников, яв­ляется недостатком фоторезисторов. Су­щественным недостатком надо считать также их большую инерционность, объ­ясняющуюся довольно большим време­нем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Практи­чески фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны. Тем не менее фоторезисторы широко приме­няются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах.

13.3. ФОТОДИОДЫ

Фотодиоды представляют собой по­лупроводниковые диоды, в, которых ис­пользуется внутренний фотоэффект. Све-

+ £ -

Рис.

ф^ф,

13.3. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

У"

ф,>0

и

,Ф^т0

Рис. 13.4. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима

		I	U=50B
"-I			ф
	\ 0

Рис. 13.5. Энергетические характеристики фотодиода

Интегральная чувствительность фо­тодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц.. А у фото­диодов со структурой p — i —и граничные частоты повышаются до десятков гига­герц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10 — 30 В. Темповой ток не пре­вышает 20 мкА для германиевых при­боров и 2 мкА — для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микро­ампер. В последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупровод­никах, наиболее чувствительные к инфра­красному излучению. Большинство фо­тодиодов изготовляется по планарной технологии (рис. 13.6).

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носи­телей в и—р-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствитсль­ность„ В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с ме­таллом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свой­ствами обладают фотодиоды с гетеро­переходами. Все фотодиоды могут рабо­тать и как генераторы ЭДС, о чем рас­сказано в следующем параграфе.

13.4. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фо­тогальваническими, служат для преобра­зования энергии излучения в электри­ческую энергию. По существу, они пред­ставляют собой фотодиоды, работаю­щие без источника внешнего напряже­ния и создающие собственную ЭДС под действием излучения.

Фотоны, воздействуя на и —р-пере­ход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей за­ряда. Возникшие в и- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели реком­бинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имею­щегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возни­кающие в самом переходе. Поле разде­ляет электроны и дырки. Для неоснов­ных носителей, например для электро­нов, возникших в р-области, поле пере­хода является ускоряющим. Оно пере­брасывает электроны в и-область. Анало­гично дырки перебрасываются полем из и-области в р-область. А для основных носителей, например дырок в р-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей об­ласти, т. е. дырки остаются в р-области, а электроны — в n-области (рис. 13.7).

1i©
(^
1 ©	©1 \

Рис. 13.7. Разделение возбужденных светом носителей под действием поля л—р-перехода

Ф

Рис. 13.6. Принцип устройства планарного фотодиода

п⁺

------------- т—"

Рис. 13.9. Схема включения фотоэлемента

В результате такого процесса в п­и р-областях накапливаются избыточ­ные основные носители, т. е. создаются соответственно заряды электронов и ды­рок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (£ф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис. 13.8). Значение ЭДС может достигать несколь­ких десятых долей. вольта. При вклю­чении полупроводникового фотоэлемен­та на нагрузку (рис. 13.9) возникает фототок /_ф = £ф/(Я„ + Ri), где R_t -внутреннее сопротивление самого фото­элемента.

О 0,2 OA 0,6 0,8 пм

Рис. 13.8. Зависимость фото-ЭДС от свето­вого потока

Первые вентильные фотоэлементы из гемиоксида (закиси) меди были раз­работаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко применялись селено­вые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой и-типа, на кото­рый воздействовал световой поток. Ин­тегральная чувствительность селеновых фотоэлементов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен. Они име­ли спектральную характеристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фото­метрических методов. Значительный ин­терес представляли сернистоталлиевые фотоэлементы, которые разработал в

СССР Б. Т. Коломиец. У них чувстви­тельность достигала тысяч микроампер на люмен. Недостаток вентильных фо­тоэлементов — низкие частотные свой­ства и значительная зависимость ин­тегральной чувствительности от темпе­ратуры.

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, ис­пользуемые в качестве солнечных преоб­разователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких эле­ментов путем последовательного и па­раллельного соединения создаются сол­нечные батареи, которые обладают срав­нительно высоким КПД (до 20%) и мо­гут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи из крем­ниевых фотоэлементов — это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. Практическое применение солнечных ба­тарей непрерывно расширяется.

13.5. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствитель­ность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через кото­рое световой поток может воздейство­вать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа р — п — р со «свободной», т. е. никуда не включенной, базой, приведена на рис. 13.10. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на кол­лекторном — обратное.

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда — электронов и дырок. Они диффундируют к коллектор­ному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фото­диоде. Дырки под действием поля кол­лекторного перехода идут из базы в кол­лектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повы­шают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию ды­

3^х------------ ¹ Рис. 13.10. Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой

рок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток кол­лектора. В транзисторе типа п.— р — п все происходит аналогично.

Интегральная чувствительность у фо­тотранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототран­зистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка при­меняют схемы стабилизации, которые были рассмотрены в гл. 4. При этом, конечно, должен быть использован вы­вод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смеще­ния или электрические сигналы и осу­ществлять совместное действие этих сигналов и световых.

Рис. 13.11. Выходные характеристики фото­транзистора

Выходные характеристики фототран­зистора показаны на рис. 13.11. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кри­вые соответствуют различным значени­ям светового потока, а не тока базы.

Характеристики показывают, что при повышенном напряжении возникает электрический пробой (штриховые участ­ки).

Параметры фототранзисторов — ин­тегральная чувствительность, рабочее напряжение (10—15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплав­ным методом, имеют граничные часто­ты до нескольких килогерц, а изготов­ленные диффузионным методом (планар­ные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостаток фото­транзисторов — сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Помимо рассмотренного биполяр­ного фототранзистора применяются и другие. Составной фототранзистор представляет собой фототранзистор, со­единенный с обычным транзистором. В гл. 9 было показано, что составной транзистор имеет коэффициент усиле­ния тока Р, равный произведению коэф­фициентов усиления двух транзисторов PiP₂. В результате интегральная чув­ствительность у составного фототран­зистора в десятки раз больше, чем у обычного, и в тысячи раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и хорошее быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочас­тотным транзистором.

Кроме биполярных фототранзисто­ров в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзи­сторы. На рис. 13.12 показан полевой фототранзистор с каналом и-типа. При облучении и-канала в нем и в приле­гающей к нему р-области (области за­твора) генерируются электроны и дырки. Переход между и-каналом и р-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носите­лей заряда. В результате повышается концентрация электронов в и-канале, уменьшается его сопротивление и увели­чивается концентрация дырок в р-об­ласти. Ток канала (ток стока) возраста­ет. Кроме того, возникает фототок в

ф

Р1	Л/ — 1 —
+ 4 | + -^Ч-к
+ + Pi	i^+

ф

I rj

^7

- Е +

Рис. 13.12. Структура и схема включения полевого фототранзистора с каналом и-типа

цепи затвора. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R₃, за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал —за­твор. Это, в свою очередь, приводит к увеличению толщины канала, а сле­довательно, к дополнительному умень­шению его сопротивления и возраста­нию тока стока. Таким образом осу­ществляется управление током стока с помощью света.

Представляют интерес МЦП-фото­транзисторы с индуцированным (инверс­ным) каналом. Они имеют полупрозрач­ный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогенера­ция носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напря­жения, при котором возникает индуци­рованный канал, а также крутизна, яв­ляющаяся основным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установле­ния начального режима.

Еще одна разновидность — однопере-ходные фототранзисторы, в которых при облучении светом понижается напряжение включения.

13.6. ФОТОТИРИСТОРЫ

Тиристорные четырехслойные струк­туры р — п — р — п (рис. 13.13) могут уп­равляться световым потоком, подобно тому как триодные тиристоры управля­ются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов. При действии света на область базы р_г в этой об­ласти генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к п — р-перехо­-Е +

Рис. 13.13. Структура и схема включения фототиристора

дам. Электроны, попадая в область перехода П₂, находящегося под обрат­ным напряжением, уменьшают его со? противление. За счет этого происходит перераспределение напряжения, прило­женного к тиристору: напряжение на переходе П₂ несколько уменьшается, а напряжения на переходах П_г и 17 ₃ не­сколько увеличиваются. Но тогда уси­ливается инжекция в переходах П_г и П_г, к переходу П₂ приходят инжекти­рованные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит допол­нительное перераспределение напряже­ния, еще больше усиливается инжекция в переходах П₁ и П_г, ток лавинообраз­но нарастает (см. штриховые линии на рис. 13.14), т. е. тиристор отпирается.

Чем больше световой поток, дей­ствующий на тиристор, тем при мень­шем напряжении включается-тиристор. Это наглядно показывают вольт-ампер­ные характеристики фототиристора, приведенные на рис. 13.14. После включе­ния на тиристоре устанавливается, как обычно, небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бы­вает сделан вывод от одной из базовых областей (р₁ или п₂). Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, то можно понижать напряжение вклю­чения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием свето­вого потока.

Фототиристоры могут успешно при­меняться в различных автоматических

ф₃>ф_г

О ивкпз ^ивмг

Рис. 13.14. Вольт-амперные характеристики фототиристора

устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные дос­тоинства фототиристоров — малое по­требление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое (доли секунды) время включения.

13.7. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

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

(13.2)

де 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. и„ > > 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.

hv = hc/X ^ AW.

(13.3)

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):

AW* 1,23b.

Зона проводимости Запрещенная зона

Валентная зона

Рис. 13.15. Излучение при рекомбинации

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

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.

Дата добавления: 2015-05-06