Светодиоды и фотодиоды: типы, принцип и режим работы, применение

Основная масса полупроводниковых радиокомпонентов в рабочих режимах оперирует электрической энергией, которая органами зрения не воспринимается. Тем не менее, существует целый кластер элементов, работающих с электромагнитными волнами видимого спектра. Это светодиоды и фотодиоды. Объединяющим их моментом является наличие полупроводникового p-n-перехода, благодаря чему эти радиодетали представляют собой обычный электрический вентиль. Однако в этом качестве свето- и фотодиоды практически никогда не используются. С их помощью решаются иные задачи. Рассмотрим эти радиоэлементы подробнее.

Светодиоды

Основная функция данных полупроводниковых радиокомпонентов заключается в выработке светового излучения при прохождении электрического тока в прямом направлении. При подаче прямого смещения, как и в обычном диоде, начинаются процессы рекомбинации электронов и дырок. Отличие состоит в том, что в светодиоде этот процесс сопровождается генерацией фотонов, из которых состоит свет.

Для того чтобы полупроводник получил способность к генерации фотонов, он особым образом легируется. В результате материал насыщается носителями заряда, которые возбуждают электромагнитные колебания видимого спектра, которые органами зрения воспринимаются как свечение.

Преимуществом светодиодов является когерентность излучения. Это означает, что элемент вырабатывает электромагнитные колебания только одной длины волны. То есть, светодиодом генерируется свет только одного цвета из тех, что вместе составляют белый. В практической радиоэлектронике наибольшее распространение получили следующие светодиоды:

1. красные;
2. жёлтые;
3. оранжевые;
4. зелёные.

В осветительных приборах с недавних пор используются многокомпонентные изделия, генерирующие все цвета и смешивающие их в особо плотный белый свет. Эти источники света по светимости аналогичны накальным и люминесцентным лампам, но потребляют значительно меньший объём электроэнергии.

Отдельный тип светодиодов – радиокомпоненты, вырабатывающие инфракрасное излучение. Они используются в дистанционном управлении электроникой, СКУД, охранных сигнализациях и прочих подобных системах. И хотя эти элементы генерируют невидимые электромагнитные волны, они используют те же физические принципы и выполняются по той же конструкции, поэтому относятся к классу светодиодов.

Типы светодиодов

Сегодня существует два подхода к классификации световых диодов. Во-первых, радиокомпоненты различаются по предназначению. В зависимости от этого они могут быть излучательными и индикаторными. Первые используются в оптоволоконных линиях связи в составе оптических пар. Вторые применяются в устройствах индикации. Осветительные светодиоды относятся, кстати, ко второму типу.

Во-вторых, светодиоды различаются технологиями генерации фотонов и по этому признаку подразделяются на инжекционные и люминофорные. В первых свет вырабатывается напрямую полупроводником при прохождении электрического тока. В люминофорных светодиодах используется принцип вторичной генерации. Эти элементы дают более плотный поток света. Упомянутые выше излучательные светодиоды чаще всего являются именно люминофорными.

Основные характеристики светоизлучающих диодов:

1. Максимально допустимый постоянный прямой ток;
2. Максимально допустимый импульсный прямой ток;
3. Максимально допустимое обратное постоянное напряжение;
4. Сила света светодиода;
5. Максимум спектрального распределения излучения светодиода;
6. Постоянное прямое напряжение;
7. Диапазон рабочей температуры окружающей среды.

Фотодиоды

Эти полупроводниковые радиокомпоненты в противоположность светодиодам фотонов не излучают. Напротив, для исполнения своих функций фотодиоды сами нуждаются в квантах света. Принцип действия элементов заключается в возникновении обратного тока в результате освещения их каким-либо источником света. В темноте при подаче обратного смещения фотодиод остаётся запертым, но стоит только его осветить, и он открывается. По крайней мере, так процесс выглядит внешне.

На самом деле p-n-переход остаётся закрытым, и через него протекает обычный обратный ток, но к нему добавляется так называемый фототок, который возникает из-за воздействия на полупроводник фотонов внешнего освещения. Поглощение световых квантов в переходной зоне приводит к образованию неосновных носителей заряда на расстоянии от p-n-перехода, которое меньше так называемой диффузионной длины. Благодаря этому и возникает фототок.

В некоторых схемах фотодиод используется в качестве источника тока, работая в гальваническом режиме. То есть в радиокомпоненте при его освещении вырабатывается ток, который далее используется в других частях радиоэлектронного устройства. В этом случае фотодиод не нуждается в обратном смещении. Это упрощает принципиальную схему, что является ценным производственным фактором.

В перечень эксплуатационных достоинств фотодиодов входят следующие:

1. стабильность фототока;
2. линейный характер зависимости тока от освещённости;
3. низкое входное сопротивление при прямом включении;
4. нетребовательность к температурному режиму.

Относительно температурных требований следует заметить, что в этом смысле наилучшими параметрами обладают германиевые фотодиоды. Их электрические характеристики мало зависят от температуры окружающего воздуха. Это делает германиевые радиокомпоненты предпочтительными для использования в мощных устройствах.

Лавинные фотодиоды

Особенной разновидностью этих полупроводниковых элементов являются лавинные фотодиоды. Такое название они получили по наименованию квантового эффекта, используемого для формирования обратного тока. Механизм действия лавинного фотодиода заключается в следующем. При подаче обратного смещения, превышающего некий критический уровень, происходит лавинный пробой p-n-перехода и через радиокомпонент начинает протекать значительный обратный ток.

В общем и целом, таким же образом себя ведут все полупроводниковые диоды, но только в лавинном фотодиоде сила обратного тока сильно зависит от уровня освещённости. Небольшие и еле заметные глазом изменения силы света влекут за собой значительные колебания обратного тока. Это свойство лавинных фотодиодов используется в различных устройствах автоматизации с повышенными требованиями по чувствительности.

Недостатком обычных и лавинных фотодиодов является сильная зависимость от стабильности параметров обратного смещения. Этот фактор вынуждает использовать в фотодиодных схемах стабилизаторы питающего напряжения.

Основные параметры фотодиодов:

1. Площадь фоточувствительного элемента;
2. Диапазон спектральной характеристики;
3. Максимальная спектральная характеристика;
4. Рабочее напряжение;
5. Темновой ток;
6. Интегральная токовая чувствительность.