Главная Преобразователи механических величин



Преобразователи механических величин

Оптоэлектроника - одно из направлений микроэлектроники - развивается быстрыми темпами. Ее новейшие достижения открывают широкие возможности для решения практических задач, имеющих важное народно-хозяйственное значение.

Перспективным элементом оптоэлектроники является светоиз-лучаюш,ий диод. Достоинства светоизлучающего диода - высокие надежность и быстродействие, малые габариты и квазимонохроматичность спектральных характеристик в видимой и ИК- областях спектра - позволяют широко применять их в качестве индикаторов, элементов систем регулирования и управления, формирователей импульсных сигналов и источников анализирующего излучения. С помощью светоизлучающих диодов могут разрабатываться фотометры, влагомеры и анализаторы состава и свойств различных материалов и веществ. Применение новых структур и совершенствование технологии позволили получить светоизлучающие диоды, спектр излучения которых от 0,4 до 3 мкм.

В настоящей книге обобщены разрозненные сведения по применению светоизлучающих диодов. Приведены классификация приборов и их основные характеристики, режимы питания и схемы включения, а также методы компенсации временной и температурной нестабильностей интенсивности излучения диодов. Рассматриваются общие принципы построения устройств с использованием светоизлучающих диодов. Показана возможность применения светоизлучающих диодов в устройствах метрологического обеспечения и калибровки.

Обращаем особое внимание читателей на описание практических схем различных электронных устройств с использованием светоизлучающих диодов: индикаторов, преобразователей угол - код, уровнемеров, генераторов и др.



Глава 1

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

ФОТОПРИЕМНИКИ

1.1. типы СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Светоизлучающий диод (СИД) представляет собой полупроводниковый электрически управляемый элемент. Электрические и излучательные свойства СИД зависят от механизма переноса носителей при смешении переходов в прямом и обратном направлениях и законов излучательной и безызлучательной рекомбинации в полупроводниках. В основе принципа действия СИД лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого может лежать в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.

Светодиодная структура представляет собой электронно-дырочный переход, в котором одна из областей, например п, является эмиттерной, а другая - р - базовой. В базовую область дополнительно вводят нейтральную примесь, например кислород или азот. Введение этой примеси не приводит к образованию в полупроводнике дополнительных носителей заряда, но способствует генерации света. При подаче на р-п переход прямого смещения начинается инжекция электронов из эмиттерной области в базовую (рис. 1.1). Одновременно происходит процесс инжектирования дырок из базовой области в эмиттерную соответственно, и рекомбинации носителей происходят как в базовой, так и в эмиттерной



Рис. 1.1. Структура р-п перехода ове-тоизлучающего диода «-» -

знаки объемных зарядов р-п перехода; ©, © -носители заряда: дырка, электрон)

Рнс. 1.2. Энергетическая диаграмма рекомбинации электронов в базовой области светоизлучающего диода

-энергетическая граница свободной и валентной зон; Х, Я" и V ~ краевое, примесное и междупримесное излучение; - энергия при-

месных уровней; h& - ширина запрещенной зоны)



областях, но базовая область является той частью полупроводниковой структуры, в которой происходит эффективное преобразование энергии инжектированных электронов в энергию излучения. Прямой ток, текущий через переход, складывается из токов электронов и дырок, которые определяют число актов излучательной (в р-области) и безызлучательной в (п-области) рекомбинации. Чтобы повысить число излучательных рекомбинаций, эмиттер легируют сильнее, чем базу. Ootoik электронов из п-области в р-об-ласть больше потока дырок в /г-область, что приводит к увеличению числа актов излучательной рекомбинации.

в соответствии с квантовой теорией возбужденный алектрон, инжектированный в базовую область, рекомбииируя с дыркой, испускает квант энергии излучения. При этом максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации, равна ширине запрещенной зоны данного полупроводника:

д =hv,

где h - постоянная Планка; v - частота колебаний электромагнитной энергии (рис. 1.2).

Основные материалы из элементов АВ, применяющиеся в настоящее время для изготовления СИД, приведены в табл. 1.1.

Изготовить СИД можно из различных элементов. На рис. 1.3 приведена гистограмма, отражающая возможности изготовления СИД, излучающих в видимой части спектра.

Ток, протекающий через СИД, содержит электронную in и дырочную ip составляющие; i = in+i-p. В излучательной рекомбинации участвует только ток, обусловленный инжекцией электронов в базу. Показатель эффективности излучающего р-п перехода - внутренний квантовый выход - определяется по формуле [5]

inlq

где Лф-интенсивность генерации фотонов в базовой области, q - заряд электрона.

Таблица 1.1

Таблица 1.2

Материал

Перекрываемая область спектра, мкм

SiC, InGaP, GaN

0,4...0,68

GaP, GaAsP

0.6...0,7

GaAs, GaAsP,

0,7...0,95

GaAbAs

GaAsSb, AlGaAsSb

1.0...2,0

InGaAsP-InP

1,0...2,1

InGaAsSb-GaSb

1,8...4,0

InGaAsSb-InAs

InAs, InGaAs

Тип источника

Температурный диапазон, "С

Температурный коэффициент, %ГС

-40...-f 60 -(0,14...0,21)

СИД на основе GaP

СИД на основе SiC, использующие рекомбинационное

излучение -30...-f 60 -(0,3...0,8)

СИД на основе SiC, использующие предпробойное излучение -ЗО...-f60 -(0,05...0,24) Лавинные излучатели без р-п перехода -ЗО...-f60 -(0,5...0,75)



[0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25


0.0234