6 Оптоелектронні напівпровідникові прилади

6.1 Загальні відомості

Електронні пристрої та системи, в яких використовують разом із традиційними електричними ефектами неелектри­чні, лежать в основі нового напряму в електроніці – оптоелектроніки.

Оптоелектроніка – це ґалузь електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в кристалах, а також розглядаються питання перетворення оптичних сигналів у електричні й навпаки.

Практичним завданням оптоелектроніки є створення оптоелектронних приладів, до яких належать різноманітні джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв’язку, оптрони тощо. Усі ці прилади широко застосовуютьcя в ґалузі промислової електроніки.

Розглянемо деякі приклади оптоелектронних напівпрові­дникових приладів.

6.2 Випромінювальні діоди

Напівпровідниковий випромінювальний діод (світло­діод) – це напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, призначений для безпосе­реднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.

Відповідно до ГОСТ 10862-72 першим елементом позначення світлодіодів є буква або цифра, що означає матеріал виготовлення (А(1) - арсенід галію), іншим елементом є буква “Л”. Значення третього елемента позначення світлодіодів такі: 1 – діод інфрачервоного діапазону; 2 – оптичного діапазону; 3 – діод з яскравістю свічення менше 500 Кд/м; 4 – з яскравістю, більшою 500 Кд/м. Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів.

Основний фізичний процес світлодіодів – це випроміню­вальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнення – переходу. Ця рекомбі­нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготов­лення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад, сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі , де(порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів). Будова світлодіода показана на рис. 6.1.

Рисунок 6.1 – Будова світлодіода

Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 6.2).

Рисунок 6.2 – Яскравісна характеристика світлодіода

Колір свічення залежить від матеріалу виготовлення (ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання. Так, суміш GaAs і GaP дає червоне свічення, карбід кремнію SiC – червоно-оранжеве або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення.

Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 6.3), які мають два – переходи, утворені різними домішками. Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншими – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати колір свічення.

Світлодіоди широко використовуються для світлової інжекції в різноманітних електронних пристроях. Переваги інжекції на світлодіодах – яскраве й чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.

Крім окремих світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висві-чуваних елементів: семисегментну та матричну (рис. 6.4).

Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (7х5+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

Рисунок 6.3 – Структура світлодіода з перестроюваним кольором свічення

а) б)

Рисунок 6.4 – Варіанти висвічуваних за допомогою світлодіодів елементів:

а) семисегментна конфігурація;

б) – матрична конфігурація