1.4.2 Излучающие n-p-переходы
Принцип работы излучающих n-p переходов заключается в следующем. При прямом напряжении в электронно-дырочном переходе происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов в n-области больше, чем концентрация дырок в р-области, т. е. пп > > рр, то происходит инжекция электронов из n-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 (рисунок 1.23). При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны ∆W, т.е.
(1.37)
Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь ∆W > 1,7 эВ.
Германий и кремний непригодны для изготовления излучающих n-p переходов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала. Поэтому создания современных излучающих n-p переходов 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.
Рисунок 1.30 – Излучение при рекомбинации
ВАХ излучающих n-p переходов соответствует прямой ветви обобщенной ВАХ n-p перехода, показанной на рисунке 1.22.
Помимо n-p переходов, дающих видимое свечение, создаются n-p переходы инфракрасного (ИК) излучения, изготовляемые преимущественно из арсенида галлия GaAs.
Можно создать переменный цвет свечения, т.е. использовать два светоизлучающих перехода, один из которых, например, имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы. Наилучшими качествами обладают излучающие гетеропереходы.
В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения все шире применяются светоизлучающие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называют инжекционными светодиодами. А свечение, возникающее в светодиодах, относят к явлению так называемой инжекционной электролюминесценции.
Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими 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.
У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел(кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником). Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности, составляет десятки – сотни кандел на квадратный сантиметр.Постоянное прямое напряжение – (2-3 В).Максимальный допустимый постоянный прямой ток составляет десятки миллиампер, а максимальное допустимое постоянное обратное напряжение – единицы вольт.
Важной характеристикой является диаграмма направленности излучения, которая определяется конструкцией диода, в частности наличием линзы, и другими факторами. Излучение может быть направленным или рассеянным (диффузным).
Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются. Быстродействие у светодиодов высокое. Свечение возрастает до максимума в течение примерно 10–8 с после подачи на диод импульса прямого тока.
Схема включения фотодиода представлена на рисунке 1.31.
Рисунок 1.31 – Схема включения фотодиода
Светодиоды конструируют так, чтобы наружу выходил возможно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл – воздух. Конструктивно светодиоды выполняются в металлических корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение, или в прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются также бескорпусные диоды. Масса диода составляет доли грамма.
Светодиоды являются основой более сложных приборов.
Линейная светодиодная шкала представляет собой интегральную микросхему, состоящую из последовательно размещенных светодиодных структур (сегментов), число которых может быть от 5 до 100. Такие линейные шкалы могут заменять щитовые измерительные приборы и служат для отображения непрерывно изменяющейся информации.
Цифро-буквенный светодиодный индикатор также сделан в виде интегральной микросхемы из нескольких светодиодных структур, расположенных так, чтобы при соответствующих комбинациях светящихся сегментов получалось изображение цифры или буквы. Одноразрядные индикаторы позволяют воспроизвести одну цифру от 0 до 9 или некоторые буквы. Многоразрядные индикаторы воспроизводят одновременно несколько знаков. У большинства индикаторов сегменты имеют вид полосок (обычно 7 для каждого разряда).
Разработаны многоэлементные блоки, содержащие десятки тысяч светодиодов для получения сложных изображений. На этом принципе созданы плоские экраны.