Инфракрасный(ИК) светодиод

Светодиод – это полупроводниковый диод, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок. В качестве самостоятельного прибора излучающий диод применяется в световых индикаторах, в которых используется явление излучения света PN-переходом при прохождении через него прямого тока. Кванты света возникают при рекомбинации инжектируемых PN-переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда (явление люминесценции).

Устройство, принцип действия и область применения оптронов.

ЛЕКЦИЯ 16. Принцип действия фотоизлучателей.

а б в

Рисунок 1.60 – Устройство(а), структура светодиода(б) и структура инжекционного лазера(в)

Устройство и структура показаны на рисунке1.60. Часто светодиод снабжают пластмассовой светорассеивающей линзой. В таком виде его используют в качестве светосигнального индикатора. Яркость его свечения зависит от плотности тока, цвет свечения – от ширины запрещенной зоны и типа полупроводника. Цвета свечения: красный, желтый, зеленый. Так, например, светодиод 2Л101А имеет желтое свечение, яркость – 10 кДж/м2, ток – 10 мА, напряжение – 5 В.

Светодиод – это излучающий полупроводниковый прибор с PN -переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптического излучения. В основе свечения лежит явление люминесценции, которое включает два этапа: генерацию подвижных носителей заряда, накопление энергии, затем рекомбинацию, и излучение энергии, затраченной на генерацию.

а б в

Рисунок 1.61, а – Излучательная характеристика светодиода;б – Характерисика лазерного диода; в – принцип действия инжекционного светодиода.

Основной характеристикой светодиода является излучательная характеристика – зависимость яркости свечения B от прямого тока I_пр (рисунок 1.61,а). В т. А наступает насыщение центров люминесценции, излучение уменьшается; I_пор – пороговое значение прямого тока, при котором начинается свечение.

Исходным материалом для светодиода служат: арсенид галлия (для источников инфракрасного излучения), фосфид галлия (в зависимости от примеси обладает красное или зеленое свечение) и карбид кремния (желтое свечение).

К основным параметрам светодиода относятся:

Яркость свечения B, кд/м², B ≈ 5..10 кд/м²;

Постоянное прямое напряжение U_пр, U_пр ≈ 1,6..6 В;

Полная мощность излучения P, P ≈ 0,2..1 мВт.

Достоинствами светодиода является: высокий КПД, высокое быстродействие, сравнительно высокая направленность излучения. Используются светодиоды для световой и знаковой индикации, но основное применение светодиоды получили в оптронах.

Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета. Наряду со светодиодами, работающими в диапазоне видимого излечения, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения (ИК-диоды), которые применяются в фотореле, различных датчиках и при создании некоторых оптронов.

Принцип их действия, как и светодиодов базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий РN -переход. Исходным материалом изготовления ИК-диодов являются арсенид галлия и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2-3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.Структура имеет 3 выхода (1,2,3), что позволяет осуществлять раздельное управление каждым PN -переходом ( рисунок 1.63 ).

а б

Рисунок 1.63 - Структура светодиода с управляемым цветом свечения (а) и принципиальная схема (б)

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через PN -переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рисунок1.61,в). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости — заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов.

Возникающее при этом в PN -переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией. Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от DE=E ₂ –E ₁ до DE = 2dE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n -переход прозрачен для фотонов такой энергии, т. е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей DE + 2dE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны DE с шириной спектра dE.

Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см²). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия — алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер.

Лазерный полупроводниковый диод (ЛПД)

Принципиальным отличием лазерного диода (ЛПД) от светодиода является на­личие в нем встроенного оптического резонатора, что позволяет при условии превышения током инжекции некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения, которое характеризуется высокой степенью коге­рентности (рисунок 1.60,в).

У лазерного диода по сравнению со светодиодом есть два главных конструк­тивных отличия:

лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор, который отсутству­ет у светодиода;

лазерный диод работает при больших прямых токах, чем светодиод, что по­зволяет при повышении некоторого порогового значения получить режим ин­дуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой степенью когерентности, благодаря чему лазерные диоды (ЛД) имеют значи­тельно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нм) по сравнению со свето­диодом (30-50 нм).

Для работы лазера необходимо преобладание вынужденной (стимулированной) рекомбинации над поглощением квантов света. Чтобы увеличить вынужденную рекомбинацию, две противоположные грани монокристалла полупроводника делают строго параллельными и тщательно отполированными

После многократного отражения от полированных торцов и соответствующего многократного прохождения вдоль PN-перехода свет выходит наружу. Кванты света движутся строго перпендикулярно торцам кристалла. Основной характеристикой лазерного диода является зависимость мощности от прямого тока (рисунок 1.61,б). При малых прямых токах лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод.

Наклон ветви характеристики ЛПД расположенной правее тока I_пор, характеризует дифференциальную квантовую эффективность η = dP/dI_н которая зависит от конструкции прибора и его температуры.

Типичные значения дифференциальной квантовой эффективности ЛД составляют 0,1-0,2 мВт/мА, а пороговый ток лежит в пределах 10-100 мА.

Изменение температуры приводит также к изменению длины волны излучения.

Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход — граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д. 10—20% и приемлемыми характеристиками.

Оптроны – устройства, состоящие из фотоприемника и источника света, которые связаны между собой оптически. Оптроны используются для получения электрически независимых между собой цепей, в которых исключено электрическое воздействие входных и выходных цепей друг на друга.

Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рисунок1.64, б), состоящая из источника света I, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость.

На рисунке 1.65,а приведена структурная схема оптрона, содержащая источник света (ИС), оптический канал (ОК) и фотоэлектрический преобразователь (ФП).

Рисунок 1.64- Схема (а) и технологическое выполнение (б) оптронной пары:

На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения:

3 xWbyTtxwSF0MGuazDASGOtouNBo+j+9PaxCJTLDGxYAavjDBpry/K0xu4xgOeKuoERwSUm40tER9 LmWqW/QmzWKPgbVzHLwhfodG2sGMHO6dVFm2kt50gRta0+Nri/Wlunou2T2/VbTrV+7wsV9uFfn5 uFdaPz5M2xcQhBP9meEHn9GhZKZTvAabhNPAQ+j3srZcKAXixKZ1tgBZFvI/ffkNAAD//wMAUEsB Ai0AFAAGAAgAAAAhALaDOJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVz XS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMv LnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAaILB14QFAACWJwAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uy b0RvYy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEALlGEr9oAAAAFAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAADeBwAAZHJz L2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA8wAAAOUIAAAAAA== ">

ИС

ОК

ФП

I_вх

I→Ф

U_вых

Ф→I

а б

Рисунок 1.65- Структурная схема оптрона; б – Передаточная характеристика оптрона

В качестве ИС используются светодиоды; ОК – воздушная среда, волоконно-оптические кабели (волоконные трубки и волоконные световоды); ФП могут служить различные фотоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры).

На рисунок 1.56 приведены условные изображения оптронов.

Рисунок 1.66- УГО оптронов

Основной характеристикой оптрона является характеристика передачи I_вых = f(I_вх) (рисунок 1.65,б). Нелинейность этой характеристики связана с нелинейностью излучательной характеристики светодиода.

Основным параметром оптрона является коэффициент передачи K, характеризующий степень передачи сигнала со входа на выход: K=∆I_вых / ∆I_вх.

Достоинства оптронов:

Почти идеальная электрическая развязка входных и выходных цепей;

Очень высокая помехозащищенность;

Высокочастотность, а значит возможность передачи большого объема информации;

Возможность управления мощными цепями с помощью маломощных элементов и ряд других.

Дата добавления: 2014-11-16