Физические основы работы полупроводниковых приборов, страница 12

В обычных диодах процесс рекомбинации заканчивается выделением энергии в виде фотонов тепловой энергии и является безызлучательной.. В отличие от фотонной (базызлучательной) рекомбинации в структурах СИД преобладает фотонная (излучательная) рекомбинация.

Чтобы фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света,должна быть относительно большая ширина запрещенной зоны исходного полупроводника (ΔW>1,7эВ). Исходными полупроводниковыми материалами СИД являются арсенид галлия GaAs, карбид кремния SiC, фосфид галлия GaP или твердые растворы фосфида и арсенида галлия. Перспективен для изготовления СИД нитрид галлия GaN с ΔW= 3,4 эВ. Энергия квантов света, возникающая в этом материале при рекомбинации носителей заряда, может перекрыть всю видимую область спектра.

В зависимости от назначения СИД делятся на полупроводниковые генераторы излучения (излучатели) и полупроводниковые индикаторы.

Полупроводниковые генераторы излучения (ПГИ)   предназначены для использования в волоколнно-оптических линиях передачи информации в составе оптоэлектронных пар.

Полупроводниковые индикаторы по конструкции делятся на монолитные и гибридные. Монолитная конструкция конструкция используется обычно при малых размерах изображения (на более 3мм), гибридная – при больших. В гибридных индикаторах взаимное расположение элементов изображения определяется взаимным расположением кристаллов, размещенных на основании корпуса, размеры же светящихся элементов формируются с помощью монолитного пластмассового световода.

Простейший СИД с плоской структурой и с прозрачным полусферическим покрытием  показан на рис.2.11. Такая конструкция СИД имеет большой внешний квантовый выход.

Структура светоизлучающего диода

Рисунок 2.11

Площадь  излучающего р-n-перехода светодиода невелика (до 1мм2). Обычно она лимитируется возможным значением тока (10 – 50мА) источника питания.

Цифрознаковые индикаторы на основе СИД используются в качестве знаковых индикаторов шкал измерительных приборов, микрокалькуляторов, электронных наручных часов, а также в устройствах, позволяющих воспроизвести цифровую и буквенную информацию.

Основные параметры светоизлучающих диодов приведены в Приложении 7.

2.10 Фотодиоды

Фотодиоды (ФД) представляют собой фоточувствительные приборы со структурой полупроводниковых диодов.

Основу (базу) ФД представляет пластина n-германия (рис.2.12а), в которую введен вплавлением или диффузией р-индий. На границе раздела  этих областей возникает электрический р-n-переход. Действие ФД основано на фотогальваническом эффекте в облученном  р-n-переходе.

В рабочем состоянии к фотодиоду подключается обратное напряжение. При отсутствии оптического излучения (Ф=0) под действием обратного напряжения в ФД течет темновой  обратный ток Iт. Эта зависимость Iт = φ(Uобр) при Ф1 = 0 (рис.2.12б) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики, аналогичную характеристикам обычного полупроводникового диода.

Структура и характеристики фотодиода

Рисунок 2.12

При освещении ФД (Ф>0) в р-n-переходе и прилегающих к нему областях кристалла полупроводника (за счет поглощения квантов света) возникает генерация электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля контактной разности потенциалов образовавшиеся неосновные носители уходят из р- и n-областей (электроны из р-в n-область, а дырки в обратном направлении). При этом область р приобретает положительный, а область n – отрицательный заряд. В результате между р- и n-областями возникает разность потенциалов (фотогальванический эффект), представляющая фото-э.д.с. Поле, создаваемое этой фото-э.д.с. в р-n-переходе, будет направлено встречно полю, возникшему из-за контактной разности потенциалов. В результате освещения потенциальный барьер в переходе уменьшится и на величину возникшего фототока  Iф возрастет в нем обратный ток неосновных носителей. Характеристика сдвигается в область больших обратных токов (см. вольт-амперные характеристики при Ф21=0). В рабочем диапазоне обратных напряжений при освещении ФД обратный ток практически не зависит от приложенного напряжения, поэтому вольт-амперные характеристики идут весьма полого.