Фотодиоды

Двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n пе­реходом, вольт-амперная характеристика которого зависит от воз­действующего на него светового потока, называют фотодиодом (ФД). Он представляет собой пластину полупроводникового мате­риала (германия или кремния) с областями электронной и дыроч­ной проводимости, разделёнными p-n переходом. Пластина поме­щена в герметичный корпус, имеющий окно из прозрачного мате­риала для проникновения к ней света.

Иногда в этом окне располагают собирательную стеклянную линзу. В зависимости от конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпен­дикулярно плоскости p-nперехода. ФД включают в обратном на­правлении (рис. 3.54, а). Если нет освещения (Ф = 0), ФД аналоги­чен обычному диоду, включённому в обратном направлении. При осве­щении прибора (Ф > 0) в его p и n областях начинается разрыв ковалентных связей и образование пар носителей заряда — электронов и дырок. Наиболее интенсивен про­цесс генерации носителей у внешней поверхности кристалла. В областях ФД возрастает число как основ­ных, так и неосновных носителей. Относительное увеличение концен­трации основных носителей неве­лико, и её можно считать практичес­ки неизменной. Относительный прирост концентрации неосновных носителей оказывается значительно больше. Это ведёт к существенному увеличению обратного тока. Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных носителей вблизи перехода и тем больше ток.

Вид семейства вольт-амперных характеристик фотодиода при Ф > 0 похож на выходные характеристики биполярного тран­зистора в схеме ОБ. Обычно за положительное направление тока ФД принимают направление обратного тока перехода.

Световая характеристикаI (Ф) при U = constлинейна в доста­точно широком интервале светового потока. Это вы­годно отличает фотодиод от фоторезистора. В случае увеличения обрат­ного напряжения расширяется p-n переход и уменьшаются объёмы p-nобластей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них рекомбинировать, в результате этого фототок фотодиода возрастает.

Светоизлучающие диоды

Излучающий полупроводниковый прибор, имеющий один p-n переход и предназначенный для непосредственного преобразова­ния электрической энергии в энергию светового излучения, назы­вается светодиодом (СД).

В светодиодах используется инжекционная электролюминесцен­ция p-n перехода, включенного в прямом направлении. Излучение света p-n переходом при прохождении через него прямого тока было впервые обнаружено О.В. Лосевым в 1923 г. При прямом включе­нии перехода происходит инжекция носителей через пониженный потенциальный барьер и их рекомбинация. В процессе рекомбина­ции электроны переходят с высоких энергетических уровней в зоне проводимости на более низкие в валентной зоне.

Рассмотрим, при каких условиях p-n переход может быть излуча- тельным. Длина волны видимой части светового спектра X составляет 0,4—0,7 мкм, что соответствует энергиям1,3—1,8 эВ. Следовательно, ширина запрещённой зоны AWисходного полупроводникового мате­риала в излучательном приборе должна быть не более1,3—1,8 эВ.

От используемого полупроводникового материала зависти цвет сечения, определяемый длиной волны

X-hc / AW

где h — постоянная Планка; с — скорость света; AW — ширина запрещённой зоны полупроводника.

В СД должен быть беспрепятственный вывод светового пучка из источника излучения (базовой области) в ок­ружающее пространство. Базовая область часто имеет форму полусферы (рис. 3.56).

Кристалл располагают в металлическом, ке­рамическом корпусе или пластмассовом кор­пусе. Верхняя часть корпуса имеет стеклян­ную линзу — выходное окно для концентра­ции излучения в узкий конус.

Исходными материалами СД служат арсенид галлия (для источников инфракрас­ного излучения), фосфид галлия с примеся­ми цинка и кислорода (красное свечение), фосфид галлия, легированный азотом (зе­лёное свечение) и карбид кремния (жёлтое свечение).

На основе фосфида галлия с раз­ными примесями разработан цвето-сигнальный индикатор с плавно из­меняющимся цветом свечения.

Вольт-амперная характеристика СД аналогична характеристике ди­ода. Постоянное прямое напряжение 1—2В, максимальный по­стоянный прямой ток составляет в за­висимости от типа диода 10—100 мА.

Допустимое обратное напряжение СД невелико (3—7В). Он не рассчи­тан на включение в обратном направ­ление и подача на СД обратного на­пряжения с амплитудой более 2—4 В не рекомендуется.

Яркость зависит от конструкции СД и составляет 10—50 кд/м2. Чем больше допустимый ток, тем выше яркость и мощность излучения. Светоизлучающие диоды СД мало инер­ционны, время их переключения со­ставляет 10-8—10-9 с. Характеристики СД имеют значительный разброс параметров и зависят от температуры.

С ростом температуры яркость уменьшается, сокращается и срок службы СД. Так, при 25 °С он составляет 105 ч , а при 100 °С сокраща­ется до 1000 ч. Так же сокращается срок службы СД при увеличении его тока. На рис. 3.58 представлена схема включения светодиода.

СД широко применяют в качестве световых индикаторов миникалькуляторов и электронных часов, они служат основными эле­ментами современных оптронов. Двухцветные СД перспективны для использования в устройствах железнодорожного транспорта в ка­честве четырёхпозиционных сигнализаторов (красный — жёлтый — зелёный — выключено), а также в качестве оптических индика­торов скорости. На рис. 3.59 структура двухцветного СД, а на рис. 3.60 эквивалентная схема двухцветного СД.