 |
Світловипромінюючі діоди
|
|
|
|
Як малоінерційні напівпровідникові джерела випромінювання широко застосовуються світловипромінюючі діоди (світлодіоди), які працюють при прямій напрузі. Іноді їх називають інжекційними світлодіодами. Світло, яке виникає в світлодіодах, відносять до явища так званої інжекційної електролюмінісценції. Світло напівпровідникового діода спостерігав ще на початку 20-х років в Нижегородській радіолабораторії О. В. Лосєв під час своїх експериментів з генерації електричних коливань за допомогою кристалічного детектора. Однак подальше вивчення цього явища почалося лише в середині 50-х років. У цей час промисловість випускає десятки типів світлодіодів і більш складних індикаторних приладів, які є комбінацією тих або інших світлодіодів.
Принцип роботи світлодіодів полягає в наступному. При прямій напрузі в напівпровідниковому діоді відбувається інжекція носіїв заряду з емітерной області в область бази. Наприклад, якщо концентрація електронів в п -області більша, ніж концентрація дірок в р -області, тобто nп >> рр, то відбувається інжекція електронів з п -області в р -область. Інжектовані електрони рекомбінують з основними носіями базової області, в нашому випадку з дірками р -області. Електрони, які рекомбінують переходять з більш високих енергетичних рівнів зони провідності, близьких до її нижньої границі, на більш низькі рівні, розташовані поблизу верхньої границі валентної зони (рис.9.15). При цьому виділяється фотон, енергія якого майже рівна ширині забороненої зони
hv = hc /λ= 
W. (9.2)
Підставляючи в цю формулу сталі величини, можна визначити ширину забороненої зони ΔW (в електрон-вольтах), необхідну для випромінювання з тією або іншою довжиною хвилі λ (в мікрометрах):
|
|
|
W 
1,23/λ. (9.3)
З цього співвідношення видно, що для випромінювання видимого світла з довжиною хвилі від 0,38 до 0,78 мкм напівпровідник повинен мати ΔW> 1,7 еВ. Германій і кремній непридатні для світлодіодів, оскільки у них ширина забороненої зони дуже мала. Для сучасних світлодіодів застосовують головним чином фосфід галію GaP і карбід кремнію SiC, а також деякі потрійні з'єднання, які називають твердими розчинами, що складаються з галію, алюмінію і миш'яку (GaAlAs) або галію, миш'яку і фосфору (GaAsP) та інш. Внесення в напівпровідник деяких домішок дозволяє отримувати світло випромінюваня різного кольору.
Крім світлодіодів, що дають видиме світло, випускаються світлодіоди інфрачервоного (ІЧ) випромінювання, що виготовляються переважно з арсеніда галію GaAs. Вони застосовуються в фотореле, різних давачах і входять в склад деяких оптронів.
Існують світлодіоди змінного кольору світла з двома світловипромінюючими переходами, один з яких має максимум спектральної характеристики в червоній частині спектра, а інший в зеленій. Колір світла такого діода залежить від співвідношення струмів через переходи. Найкращу якость мають світлодіоди з гетеропереходом.
Основні параметри світлодіодів наступні:
1. Сила світла вимірюється в канделах для певного значення прямого струму. У світлодіодів сила світла звичайно складає десяті долі або одиниці мілікандела. Нагадаємо, що кандел є одиниця сили світла, яке випромінюється спеціальним стандартним джерелом.
2. Яскравість, яка дорівнює відношенню сили світла до площі освітленої поверхні. Вона складає десятки - сотні кандел на квадратний сантиметр (кнд/ см2).
3.Постійна пряма напруга, яка переважно складає (2-3) В.
4.Колір світла і довжина хвилі, яка відповідає максимальному світловому потоку.
5.Максимальний допустимий постійний прямий струм. Звичайно він складає десятки міліампер.
|
|
|
6.Максимальна допустима постійна зворотна напруга (одиниці вольт).
7.Діапазон температур навколішнього середовища, при яких світлодіод може нормально працювати, наприклад від - 60 до + 70°С.
Для світлодіодів звичайно розглядаються наступні характеристики. Характеристика яскравості, яка відображає залежність яскравості від прямого струму, а світлова характеристика залежність сили світла від прямого струму. Спектральна характеристика показує залежність випромінювання від довжини хвилі. Вольт-амперная характеристика світлодіода така ж, як у звичайного випрямляючого діода. Важливою характеристикою є діаграма спрямованості випромінювання, яка визначається конструкцією діода, зокрема наявністю лінзи, та іншими чинниками. Випромінювання може бути направленим або розсіяним (дифузійним).
Деякі параметри світлодіодів залежать від температури. Так, наприклад, яскравість і сила світла з підвищенням температури зменшуються. Швидкодія у світлодіодів висока. Світло зростає до максимуму протягом приблизно 10-8 с після подачі на діод імпульсу прямого струму.
Світлодіоди конструюють так, щоб назовні випромінювався можливо більший світловий потік. Однак значна частина потоку випромінювання все ж втрачається за рахунок поглинання в самому напівпровіднику і повного внутрішнього відображення на границі кристал-повітря. Конструктивно світлодіоди виконуються в металевих корпусах з лінзою, що забезпечує направлене випромінювання, або в прозорому пластмасовому корпусі, що створює розсіяне випромінювання. Виготовляються також безкорпусні діоди. Маса діода складає долі грама. Світлодіоди є основою для побудови більш складних приладів.
Лінійна світлодіодна схема являє собою інтегральну мікросхему, що складається з послідовно розміщених світлодіодних структур (сегментів), число яких може бути від 5 до 100. Такі лінійні шкали можуть замінювати щитові вимірювальні прилади і служити для відображення інформації, що безперервно змінюється.
Букво-цифровий світлодіодний індикатор також зроблений у вигляді інтегральної мікросхеми, яка складається з декількох світлодіодних структур, розташованих так, щоб при відповідних комбінаціях світлових сегментів виходило зображення цифри або букви. Однорозрядні індикатори дозволяють відтворити одну цифру від 0 до 9 або деякі букви. Багаторозрядні індикатори відтворюють одночасно декілька знаків. У більшості індикаторів сегменти мають вигляд смужок (звичайно 7 для кожного розряду). Випускаються також матричні індикатори, що мають 35 точкових світлодіодних елементів, з яких синтезуються будь-які знаки. Перевага матричного індикатора з великим числом елементів полягає в тому, що відмова одного з елементів матриці не приводить до помилки при відтворенні знаку. А в 7-сегментних індикаторах відмова одного сегмента часто робить неможливим правильне прочитання знаку, що відображається.
|
|
|
Протягом ряду років розробляються багатоелементні блоки, що містять десятки тисяч світлодіодів для отримання складних зображень. На цьому принципі створюються плоскі екрани для телевізійних приймачів, які замінюють кінескопи.
Параметри і характеристики цифролітерних індикаторів аналогічні тим, які приводяться для звичайних світлодіодів. Букво-цифрові індикатори широко застосовуються у вимірювальній апаратурі, пристроях автоматики і обчислювальної техніки, мікрокалькуляторах, електронних годинниках та інш.
ОПТРОНИ
Оптрон - це напівпровідниковий прилад, в якому конструктивно об'єднані джерело і приймач випромінювання, що має між собою оптичний зв'язок. У джерелі випромінювання електричні сигнали перетворюються в світлові, які впливають на фотоприймач і створюють в ньому знову електричні сигнали. Якщо оптрон має тільки один випромінювач і один приймач випромінювання, то його називають оптопарою або елементарним оптроном. Мікросхема, що складається з однієї або декількох оптопар з додатковими узгоджуючим і підсилюючим пристроями, називається оптоелектронною інтегральною мікросхемою (ОЕ ІМС). На вході і виході оптрона завжди є електричні сигнали, а зв'язок входу з виходом здійснюється світловими сигналами. Коло випромінювача є керуючим, а коло фотоприймача керованим. Найважливіші переваги оптронів.
|
|
|
1.Відсутність електричного зв'язку між входом і виходом і зворотного зв'язку між фотоприймачем і випромінювачем. Опір ізоляції між входом і виходом може досягати 1014 Ом, а прохідна ємність не перевищує 2 пФ і в деяких оптронах знижується до часток пікофаради.
2.Широка смуга частот коливань, що пропускаються, можливість передачі сигналів з частотою, від нуля до 1014 Гц.
3.Можливість керування вихідними сигналами шляхом впливу на оптичний канал.
4.Висока завадостійкість оптичного каналу, тобто його несприйнятливість до впливу зовнішніх електромагнітних полів.
5.Можливість поєднання в РЕА з іншими напівпровідниковими і мікроелектронними приладами.
Недоліки оптронів наступні:
1. Відносно велика споживана потужність, тому що двічі відбувається перетворення енергії, причому ККД цих перетворень невисокий.
2. Низька температурна стабільність і радіаційна стійкість.
3. Помітне «старіння», тобто погіршення параметрів з часом.
4. Порівняно високий рівень власних шумів.
Необхідність застосування гібридної технології замість більше зручної і досконалої планарної (в одному приладі об'єднані джерело і приймач випромінювання, які виготовлені з різних напівпровідників). Усі ці недоліки усуваються в процесі розвитку і удосконалення оптоелектронної техніки.
Конструктивно в оптронах випромінювач і приймач випромінювання поміщають в корпус і заливаються оптично прозорим клеєм (рис.9.16). Для використання в гібридних мікросхемах випущені мініатюрні безкорпусні оптрони. Особливу конструкцію мають оптопари з відкритим оптичним каналом. У них між випромінювачем і фотоприймачем є повітряний зазор (рис.13.17, а), в якому може переміщатися світлонепроникна перешкода, наприклад перфострічка з отворами. За допомогою перфострічки можна керувати світловим потоком. У іншому варіанті оптопари з відкритим каналом світловий потік випромінювача попадає в фотоприймач, відбиваючись від якого-небудь об'єкта (рис. 9.17, б).
Розглянемо різні типи оптопар, які відрізняються одна від одної фотоприймачами.
Резисторні оптопари мають як випромінювач надмініатюрную лампочку розжарення або світлодіод, що дає видиме або інфрачервоне випромінювання. Приймачем випромінювання є фоторезистор з селеніду кадмію або сульфіду кадмію для видимого випромінювання, а для інфрачервоного - з селеніду або сульфіду свинцю. Фоторезистор може працювати як на постійному, так і на змінному струмі. Для нормальної роботи оптопари необхідне узгодження випромінювача і фоторезистора за спектральними характеристиками.
|
|
|
На рис.9.18 схематично зображена резисторна оптопара (світлодіод і фоторезистор), в якої вихідне коло живиться від джерела постійної або змінної напруги Е і має навантаження Rн. Напруга Uкер, яка подається на світлодіод, керує струмом у навантаженні. Коло керування (коло випромінювача) ізольоване від фоторезистора, який може бути ввімкнений в коло з відносно високою напругою, наприклад 220 В.
Як параметри резисторних оптопар звичайно вказуються: максимальні струми і напруги на вході і виході, вихідний опір при нормальній роботі і так званий темновий вихідний опір (відповідний темновому струму в декілька мікроампер при відсутності вхідного струму), опір ізоляції і максимальна напруга ізоляції між входом і виходом, прохідна ємність, час ввімкнення і вимикання, що характеризують інерційність приладу. Найважливіші характеристики оптопари: вхідна вольт-амперна і передавальна. Остання показує залежність вихідного опору від вхідного струму.
Промисловість випускає резисторні оптопари з джерелом випромінювання у вигляді ламп розжарення, електролюмінісцентних конденсаторів і світлодіодів. У деяких оптопарах, призначених для комутації, розміщується декілька фоторезисторів. Резисторні оптопари застосовуються для автоматичного керування підсилення, зв'язку між каскадами, керування безконтактними дільниками напруга, модуляції сигналів, формування різних сигналів та інш.
Діодні оптопари (рис.9.19, а) мають переважно кремнієвий фотодіод і інфрачервоний арсенід-галієвий світлодіод. Фотодіод може працювати в фотогенераторному режимі, створюючи фото-ЕРС до 0,8 В, або в фотодіодному режимі. Діоди виготовляють за планарно-епітаксіальною технології. Для підвищення швидкодії застосовують фотодіоди структури типу р - i - n.
Основні параметри діодних оптопар: вхідні і вихідні напруги і струми для неперервного і імпульсного режимів, коефіцієнт передачі струму, тобто відношення вихідного струму до вхідного, час наростання і спаду вихідного сигналу, а також інші величини, аналогічні параметрам резисторних оптопар. Коефіцієнт передачі струму звичайно складає лише одиниці процентів, а час наростання і спаду для р-i-n фотодіодов може бути знижений до декількох наносекунд. Властивості діодних оптопар відображаються вхідними і вихідними вольт-амперними характеристиками і передавальними характеристиками для фотогенераторного і фотодіодного режимів.
Багатоканальні діодні оптопари мають в одному корпусі декілька оптопар. Маса оптопари складає приблизно один грам або десяті долі грама. Оптопари оформлені в металоскляному корпусі, а для гібридних мікросхем випускаються безкорпусні оптопари.
Застосування діодних оптопар досить різноманітне. Наприклад, на основі діодних оптопар створюються імпульсні трансформатори, які не мають обмоток. Оптопари використовуються для передачі сигналів між блоками складної РЕА, для керування роботою різних мікросхем, особливо мікросхем на МДН-транзисторах, в яких вхідний струм дуже малий. Різновидність діодних оптопар це оптопари, в яких фотоприймачем є фотоварикап (рис.9.19,б).
Транзисторні оптопари (рис.9.19, в) мають звичайно як випромінюючий арсенід-галієвий світлодіод, а приймач випромінювання - біполярний кремнієвий фототранзистор типу п-р-п. Основні параметри вхідного кола таких оптопар аналогічні параметрам діодних оптопар. Додатково вказуються максимальні струми, напруга і потужність, що відносяться до вихідного коло: темновий струм фототранзистора, час вмикання і вимикання, параметри, що характеризують ізоляцію вхідного коло від вихідного. Оптопари цього типу працюють головним чином у ключовому режимі і застосовуються в комутаційних схемах, пристроях зв'язку, різних давачах з вимірювальними блоками, як реле і в багатьох інших випадках.
Для підвищення чутливості в оптопарі може бути використаний складовий транзистор (рис. 9.19, г) або фотодіод з транзистором (рис.9.19, д). Оптопара з складовим транзистором має найбільший коефіцієнт передачі струму, але найменшу швидкодію, а найбільша швидкодія характерна для діодно-транзисторних оптопар.
Як приймач випромінювання в оптопарах застосовуються також одноперехідні транзистори (рис.9.19, е). Такі оптопари звичайно використовуються для ключових схем, наприклад в керованих релаксаційних генераторах, що створюють імпульси прямокутної форми. Одноперехідний фототранзистор універсальний: його можна використати як фоторезистор, якщо не ввімкнений емітерний перехід, або як фотодіод, якщо ввімкнений тільки один цей перехід.
Різновидність транзисторних оптопар - це оптопари з польовим фототранзистором (рис.9.19, ж). Вони відрізняються хорошою лінейністю вихідної вольт-амперної характеристики в широкому діапазоні напруг і струмів і тому зручні для аналогових схем.
Тиристорні оптопари мають в якості фотоприймача кремнієвий фототиристор (рис. 9.19, з) і застосовуються в ключових режимах. Основна область використання - це схеми для формування потужних імпульсів, керування потужними тиристорами, керування і комутації різних пристроїв з потужними навантаженнями. Параметри тиристорних оптопар: вхідні і вихідні струми і напруги, відповідні ввімкненню, робочому режиму і максимальних допустимих режимах, а також час вмикання і вимикання, параметри ізоляції між вхідним і вихідним колами.
Оптоелектроні інтегральні мікросхеми (ОЕ ІМС) мають оптичний зв'язок між окремими вузлами або компонентами. У цих мікросхемах, які виготовляються на основі діодних, транзисторних і тиристорних оптопар, крім випромінювачів і фотоприймачів містяться ще пристрої для обробки сигналів, отриманих від фотоприймача. Особливість ОЕ ІМС - це однонаправлена передача сигналу і відсутність зворотного зв'язку.
Різні ОЕ ІМС використовуються головним чином як перемикачі логічних і аналогових сигналів, реле і схеми букво-цифрової індикації. Крім ряду параметрів, аналогічних параметрам звичайних оптопар, для ОЕ ІМС ще характерні вхідні і вихідні струми і напруги, які відповідають логічним одиниці і нулю, час затримки вмикання і вимикання, напруга джерела живлення і споживаний струм.
Існують типи оптронів, наприклад, з оптичним входом і виходом, які використовуються для перетворення світлових сигналів, індикаторні ОЕ ІМС з декількома вбудованими світлодіодними або з сегментним светлодіодним індикатором. Техніка оптоелектронних приладів достатньо перспективна і неперервно розвивається і удосконалюється.
|
|
|
