Светодиод яркостная характеристика


Основные характеристики cветодиодов

Основной характеристикой cветодиода как cветоизлучающего прибора является, прежде всего, его спектральная характеристика. Цвет излучения светодиода определяется длиной волны главного максимума спектральной характеристики lmax. На рис. 12 для примера приведены типовые спектры излучения (зависимости силы света IV от l) промышленных фосфидгаллиевых светодидов АЛ102 и ЗЛ102А-Д. Кривая 1 на этом рисунке — для cветодиодов красного цвета свечения, а кривая 2 – для cветодиодов зеленого цвета свечения.

Эффективность cветодиода как прибора, преобразующего электрическую энергию в световую, характеризуется внешним квантовым выходом излучения hвнеш, определяемым как

hвнешн=hвнgiKопт. (49)

В этом выражении gi - коэффициент инжекции, введенный выше [см. (48)], hвн - внутренний квантовый выход излучения. Величина внутреннего квантового выхода определяется относительным числом актов излучательной рекомбинации в общем количестве актов рекомбинации инжектированных в базу светодиода неравновесных носителей в единицу времени.

Из этого определения следует, что

hвн=tn/tr, (50)

где tr — излучательное время жизни, tn — полное время жизни неравновесных носителей. На рис. 13 приведена зависимость hвн от плотности полного тока I для GaР светодиодов. При малых значениях I диффузионная составляющая прямого тока мала, и в основном он обусловлен туннельными переходами носителей и бeзызлучательной рекомбинацией внутри и вне области пространственного заряда p—n перехода. Как следствие этого, hвн при малых токах невелик и резко нарастает с увеличением I до тех пор, пока диффузионная компонента не становится преобладающей в токе диода. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к насыщению излучательных центров и к уменьшению квантового выхода.

Величина Копт (49), зависящая от конструкции светодиода, называется коэффициентом вывода света, или оптической эффективностью, и характеризует потери излучения на: а) самопоглощение, б) поглощение омическими непрозрачными контактами и поверхностным слоем кристалла, в) многократное внутреннее отражение на границе кристалл-воздух и др. Оптическая эффективность является основным фактором, определяющим внешний квантовый выход. Как правило, более чем 40-80% генерируемого света не выходит из диода.

Одной из основных характеристик светодиода является яркостная характеристика, т.е. связь между яркостью L и величиной тока, протекающего через диод. По определению яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах (кд) на квадратный метр. В свою очередь сила света Iv - световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (люмен на стерадиан). В оптоэлектронных устройствах рабочим является почти линейный участок характеристики L=¦(I) , а нелинейный (начальный) характеризуемый низкой яркостью, не используется. На линейном участке яркостную характеристику аппроксимируют следующим выражением:

L=L0(I-I0)c, (51)

где L0, c и I0 - постоянные, которые зависят от типа диода, параметров материала, характеристик контактов и температуры. В рабочем диапазоне изменение яркости c имеет обычно значения 0,92-1,05. При больших значениях плотности тока через диод I наблюдается тенденция к насыщению яркостной характеристики L=f(I) вследствие полного заполнения излучательных центров. Для светодиодов характерно явление деградации яркости с течением времени при работе в номинальном режиме и особенно при повышенной температуре.

Светодиод как точечный источник света характеризуется диаграммой направленности, которая определяется его конструкцией, наличием линзы, оптическими свойствами материала. Свечение диода может быть узконаправленным и рассеивающим.

Как элемент электрической цепи, светодиод характеризуется вольт-амперной характеристикой, близкой к характеристике обычного выпрямительного диода. Характерным для кривой светодиода является наличие начального порога включения 1,5 -2,2 эВ и почти линейность на рабочем участке.

Применение. Светодиоды обладают рядом достоинств по сравнению с другими источниками света. Спектр излучения различных светодиодов перекрывает весь видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область спектра, а малая ширина спектральной линии дает возможность получить высокую интенсивность излучения при малой подводимой мощности, т. е. высокий КПД h (h =Pизл/IV, Pизл - мощность излучения; I -ток через диод; V - напряжение на диоде). По своему быстродействию (время разгорания и затухания свечения составляет 10-7 – 10-9с) и миниатюрности инжекционные светодиоды намного превосходят известные источники излучения (например, газоразрядные приборы и лампы накаливания). Все это позволяет конструировать на основе светодиодов быстродействующие интегральные оптоэлектронные схемы. Светодиоды обладают рядом преимуществ и как элементы индикации: малыми габаритами, низким напряжением питания, набором различных цветов свечения, устойчивостью к механическим воздействиям, большим сроком службы.

 

Схема измерительной установки исследования фотодиодов:

Рис.14. 1-блок питания светодиода; 2-светодиод; 3-монохроматор; 4-фотоприёмник; 5-фоторегистратор; 6-нагреватель и термопара; 7-регистратор температуры

Похожие статьи:

poznayka.org

LEX7

Квантовая и оптическая электроника. Лекция N7

СВЕТОДИОДЫ

Светодиод- полупроводниковый излучающий прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового (электромагнитного) излучения. Используются светодиоды в оптических линиях связи, модуляторах, индикаторных устройствах, в оптопарах и т.д.

В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Излучение обусловлено неравновесными носителями и сосредоточено в p-n переходе и прилегающих к нему областях.

Одно из главных требований, предъявляемых к индикаторным светодиодам, излучение света в видимом участке спектра. Поскольку в светодиодах основную роль играет межзонная излучательная рекомбинация, необходимая ширина запрещенной зоны полупроводников, вычисленная для энергии фотонов видимого диапазона, должна быть 1,8 эВ<Ез=h<3,2 эВ. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника ток рекомбинации через p-n переход оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, т.е. процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в p-n переходе.

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяют арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия (GaAs1-хPх), где 0X1, и ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений. Использование этих материалов позволяет создать светодиоды, работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. КПД рассматриваемых приборов в основном зависит от внутреннего квантового выхода ф. Вероятность излучательной рекомбинации, определяющая внутренний квантовый выход, непосредственно связана с видом переходов в используемом полупроводнике. Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми переходами во много раз больше, чем с непрямыми.

Светодиоды на основе фосфида галлия. На Рис.1 (кривая x=1,0) представлена энергетическая диаграмма фосфида галлия, где минимумы энергии д

Рис.2

на зоны проводимости при значении имп

Рис.1

ульса соответствуют прямым переходам (ширина запрещенной зоны 2,8эВ), а при - непрямым переходам (Ез=2,26 эВ). Следовательно, чистый фосфид галлия GaP относится к непрямозонным полупроводникам. Его квантовый выход незначителен, однако он широко используется для изготовления светодиодов, так как обеспечивает излучение в видимой области спектра, что особенно важно в индикаторных устройствах. Для увеличения эффективности излучательных процессов в непрямозонных полупроводниках внедрением примесей создают рекомбинационные центры - ловушки. При введении разных элементов образуются два типа ловушек - донорного и акцепторного типов. Излучательные переходы между донорными и акцепторными ловушками позволяют получить генерацию света на различных длинах волн (Рис.2, 3).При внедрении цинка, кадмия и кислорода реализуется красное излучение; кадмия, серы и азота - зеленое (см. Рис.2). Физические явления, происходящие в фосфиде галлия при наличии примесей, можно проиллюстрировать на примере легирования азотом. Азот замещает атомы фосфора в узлах кристаллической решетки. Азот и фосфор являются элементами одной группы периодической системы и имеют одинаковую внешнюю, но различную внутреннюю электронные структуры. Различие в строении приводит к возникновению энергетического уровня ловушки вблизи з

Рис.3

оны проводимости. Инжектированные из n- в р-область светодиода электроны попадают сначала на уровни ловушек, которые затем захватывают дырку из валентной зоны. В результате фотоны рождаются с энергией, примерно равной разности между энергией запрещенной зоны и энергией связи атома ловушки.

З

Рис.4

ависимость внутреннего квантового выходакв.отн (в относительных единицах) от энергии излучаемых фотонов представлена на Рис.3. Полный КПД светодиода, излучающего зеленый свет, приблизительно равен 0.1%, а излучающего красный - 3%. Хотя КПД светодиодов с зеленым свечением мал, они применяются в индикаторной технике, поскольку чувствительность глаза к зеленому свету в 30 раз выше, чем к красному.

Светодиоды на основе арсенида галлия. При увеличении фосфора в решетке арсенида галлия изменяется энергетическая диаграмма полупроводника (см. Рис.1). При х=0 энергетическая диаграмма (кривая1) соответствует чистому арсениду галлия, а при х=1 чистому фосфиду галлия. При возрастании x от 0 до 0,45 ширина запрещенной зоны соединения Ез увеличивается с 1,42 эВ до 1,98 эВ (Рис.4). В светодиодах на основе таких материалов преобладают прямые переходы (кривая 1 на Рис.4). Дальнейшее увеличение содержания фосфора приводит к непрямым переходам (кривая 2 на Р

Рис.5

ис.4), что вызывает уменьшение вероятности межзонной излучательной рекомбинации и, соответственно, внутреннего квантового выхода (кривая 1 на Рис.5). Для увеличения эффективности излучательной рекомбинации в фосфид арсенида галлия, как и в фосфид галлия, вводят примеси. На Рис.5 проиллюстрировано влияние азота на величину внешней квантовой эффективностиф, представляющей собой отношение количества фотонов, излученных светодиодом, к количеству носителей заряда, протекающих через его электрический переход.

Параметры светодиодов

К основным параметрам светодиодов относятся:

Яркость В (кд/м2) характеризует свечение светодиода в избранном направлении. Для светодиодов яркость составляет несколько сот кд/м2.

Минимальное прямое рабочее, или пороговое, напряжение Uпор светодиода определяется энергией излучаемых фотонов; например, для зеленого света энергия фотона - 2,2 эВ, а пороговое напряжение - 2,4 эВ.

Максимальные рабочее напряжение ограничивается допустимой мощностью рассеяния светодиода. Оно в основном зависит от контактной разности потенциалов p-n перехода и сопротивления базы. Указанные напряжения определяют и соответствующие токи светодиода.

Постоянные времени нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении светодиодов характеризуют их инерционные свойства. Эти параметры измеряются между значениями яркости, составляющими 0,1 и 0,9 максимальной величины. Инерционность светодиодов определяется временем перезаряда емкости прибора. Для светодиодов значения постоянных времени составляют доли микросекунд.

КПД зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции светодиодов. Потери энергии связаны с поглощением света в полупроводнике, контактах и элементах конструкции прибора.

И другие общеизвестные, такие как: мощность излучения, длительность волны излучаемого света или его цвет, наибольший прямой или импульсный ток, долговечность и др.

Основные характеристики светодиодов

К ним относятся:

-

Рис.6

Яркостная характеристика - это зависимость яркости В от тока через р-n переход. Вид яркостной характеристики зависит от структуры p-n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых токах и, соответственно, малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны, т.е. при U=Uпор (напряжению Uпорсоответствует Iпор на (Рис.6.б). Рост напряжения (тока) увеличивает число рекомбинирующих с излучением носителей, и яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, в результате уменьшается квантовый выход и наклон характеристики к оси абсцисс становится меньше.

- Спектральная характеристика – это зависимость интенсивности светового потока (яркости или мощности, или силы света, или энергии) от длины волны. На (Рис.6.а) представлены спектральные характеристики, дающие зависимость относительной мощности от длины волны излучения, для светодиода из фосфида галлия (кривая 1) и фосфида арсенида галлия (кривая 2).

- Вольт-амперная характеристика I=(U) – совпадает с ВАХ обычного диода.

К

Рис.7

онструктивное исполнение светодиодовсильно влияет на величину внешнего квантового выхода, а следовательно, и на КПД прибора. Из-за высокого коэффициента преломления исходного материала светодиодов большая часть света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводник-воздух. В результате из-за многократных переотражений от границ (Рис.7) происходит поглощение света в полупроводнике, и только малая часть энергии излучения выходит из светодиодов простейшей плоской конструкции.

Светодиоды на основе фосфида арсенида галлия (см. Рис.8) получают наращиванием эпитаксиального слоя 2 на подложку из арсенида галлия 1. Излучаемый в области p-n перехода З свет падает на подложку 1 и частично поглощается, что приводит к дополнительным потерям энергии. С улучшением технологии эпитаксиальный слой 2 выращивают на прозрачной подложке из фосфида галлия с отражающим нижним покрытием. Это увеличивает выход полезного излучения. Внешний квантовый выход можно также увеличить за счет применения более сложных конструкций светодиодов.

Рис.8

На рис 8 приведен пример устройства такого светодиода, у которого 3 n- база, выполненная в виде полусферического монокристалла полупроводника, 1 и 2 металлические контакты, 4 эмиттер. Для повышения КПД светодиодов применяют прозрачные полусферические покрытия из стекла и пластмасс с высоким показателем преломления, просветляющие (прозрачные для излучаемых волн) покрытия внешней поверхности прибора и т.д.

Для получения излучения различного цвета в индикаторах или индикаторных матрицах светодиоды могут иметь несколько переходов. П

Рис.9

ример двойной диодной структуры, которая излучает красный или зеленый свет, либо тот и другой одновременно, изображен на Рис.9, где 1 и 3 - контакты к р- областям диода, генерирующим соответственно красный и зеленый свет; 2 - n- GaP подложка; и 4 и 6 - р-n переходы; 5 - общий контакт.

На практике используются также приборы на основе чистого арсенида галлия с излучением инфракрасного света (=900 нм), нитрида галлия - голубого света и другие материалы, по своим характеристикам уступающие рассмотренным.

Высокая надежность, большой срок службы (долговечность), малые рабочие напряжения и потребляемые мощности, небольшие масса и габариты светодиодов обусловили их широкое применение в устройствах самого различного назначения.

7

studfiles.net

Изучение характеристик светодиода

В.И. Плющаев

 

 

УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

 

 

Учебно-методическое пособие

для студентов дневного и заочного обучения

по специальности 250503 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

 

 

Н. Новгород

Издательство ФБОУ ВПО «ВГАВТ»

Н. Новгород, 2015

УДК 621.3

П40

 

Плющаев В.И.

Устройства отображения информации: Учебно-методическое пособие для студентов дневного и заочного обучения по специальностям 250503 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» / В.И. Плющаев – Н. Новгород: Издательство ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2015. – ___с.

 

 

Учебно-методическое пособие предназначено для обучения студентов очного и заочного методам проектирования и эксплуатации современных устройств отображения информации.

 

 

Рекомендовано к изданию кафедрой радиоэлектроники (протокол № от __.__.2014г.).

 

© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2015

1.Полупроводниковые индикаторы

(светодиоды)

 

Светодиоды широко используются для индикация состояния приборов и аппаратуры, подсвета надписей и кнопок, создание шкал и информационных табло. Светодиоды обладают малым потреблением, имеют высокую надежность, малые габариты и вес, высокую яркость и ремонтопригодность.

Светодиод представляет собой излучающий р-n - переход, излучение в котором возникает в результате рекомбинации носителей зарядов (электронов и дырок) при прямом смещении р-n- перехода. Рекомбинация возникает в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами Ln и Lp. При рекомбинации (переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону) выделяется энергия, определяемая разностью энергий рекомбинирующих частиц (электрона и дырки). В большинстве полупроводников этот процесс осуществляется через примесные центры (ловушки) расположенные в середине запрещенной зоны. Энергия выделяется в виде тепловой энергии (фононов) и передается атомам кристаллической решетки. Такая рекомбинация называется безызлучательной. В определенных материалах (например, GaAs, GaSb, InAs, InSb и др.) наблюдаются переходы из зоны проводимости в валентную зону типа зона-зона (рис. 1.1).

При таких переходах выделяются фотоны. Энергия фотона равна разности энергий электрона в зоне проводимости и в валентной зоне. Фотоны с энергией большей (ΔЕ + 2δЕ) в основном поглощаются, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. Фотоны с энергией от ΔЕ до (ΔЕ + 2δЕ) поглотиться не могут, т.к. верхняя часть валентной зоны свободна (электроны ушли в зону проводимости), а нижняя часть зоны проводимости заполнена. Таким образом, р-n – переход прозрачен для фотонов, энергия которых лежит в указанном интервале.

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма

 

Излучение возможно в узком диапазоне частот, соответствующем ширине запрещенной зоны ΔЕ с шириной спектра, определяемой величиной δЕ. Энергия фотона примерно равна

 

hν = hc/λ ≈ ΔE,

где ν – частота;

с – скорость света;

h – постоянная Планка.

Подставив в формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах), для получения излучения с длиной волны (в микрометрах):

 

ΔE ≈1,23 / λ.

 

Таким образом, для излучения видимого света (длина волны от 0,38 до 0,78 мкм) полупроводник должен иметь

 

ΔE >1,7 эВ.

 

Германий и кремний непригодны для производства светодиодов, т.к. ширина запрещенной зоны у них слишком мала. Спектральные характеристики светодиодов, изготовленных из разных материалов, приведены на рис.1.2.

 

 

Рис. 1.2. Спектральные характеристики светодиодов

 

Не все фотоны могут покинуть объем полупроводника – часть фотонов отражается от поверхности и поглощается в объеме полупроводника. Отношение числа фотонов излученных во внешнее пространство к числу зарядов, инжектированных через р-n - переход, называется квантовым выходом. Обычно значение квантового выхода составляет (0.1 – 30) %.

Яркость свечения светодиода пропорциональна числу зарядов, инжектированных р-n – переходом. Для получения приемлемых значений яркости необходимо обеспечить плотность тока через переход не менее 30 А/см2. Эти значения достигаются при токах через диод в интервале 5 -100 мА. Основной характеристикой светодиода является яркостная характеристика (рис. 1.3). Ее можно апроксимировать функцией

 

,

 

где В – яркость светодиода;

IД- ток светодиода;

γ = 0,5 – 0,9 для светодиодов из GaP, γ = 1 – 3 для светодиода из GaAs.

Характеристика имеет линейный участок, в пределах которого яркость меняется в 10 – 100 раз. Пороговое значение тока Iпор для разных типов светодиодов лежит в пределах 0,1 – 2,5 мА.

 

 

 

Рис. 1.3. Люкс-амперная (яркостная) характеристика

 

Простейшая схема подключения светодиода к источнику напряжения приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема включения светодиода

 

Поскольку светодиоды изготавливаются из материалов имеющих разную ширину запрещенной зоны, их вольт-амперные характеристики отличаются друг от друга. Чем шире запрещенная зона, тем большее прямое падение напряжения на диоде (рис. 1.5).

 

 

 

Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики светодиодов,

выполненных из разных материалов

 

Величина ограничивающего резистора R (рис. 1.4) определяется выражением:

 

R = (U – Uпр) / Iпр.

Напряжение Uпр и ток Iпр определяются по вольт-амперной характеристике светодиода (рис. 1.5). Учитывая наличие допусков на величины U, Uпp, R минимальное и максимальное значения Iпр могут быть определены из соотношений

I пр.min =(Umin – Uпр max)/Rmax,

 

I пр.max =(Umax – Uпр min)/Rmin .

Путем изменения напряжения источника питания и сопротивления R и ужесточения допусков на них необходимо обеспечивать, чтобы Iпр мaxне превышал максимально допустимого по паспорту значения Iпр и чтобы Iпр мinобеспечивал минимально допустимую яркость свечения светодиода.

При необходимости подключения к одному источнику питания

светодиодов различных цветов свечения (красного, зеленого, желтого) сопротивления токоограничивающих резисторов в связи с различием Uпp рассчитываются для светодиодов каждого цвета отдельно. Один из вариантов такого подключения представлен на рис. 1.6.

 

Рис. 1.6. Параллельное включение светодиодов

 

Полупроводниковые индикаторы могут работать в статическом и динамическом режимах работы.

Статический режим. В этом режиме ток через светодиоды протекает в течении всего времени отображения информации. Часто для управления светодиодами используются ТТЛ микросхемы с открытым коллектором (например, К155ЛА8 на рис. 1.7а, К555ЛА6 и др.). Типовые схемы подключения приведены на рис. 1.7б,в.

 

Рис. 1.7. Управление светодиодом микросхемой с открытым

транзистором

 

 

В схеме на рис. 1.7б включение светодиода происходит при переключении сигнала на входе микросхемы с логической 1 на логический 0.При этом выходной транзистор микросхемы закрывается, ток через светодиод протекает через внешний ограничивающий резистор. В схеме на рис. 1.7в светодиод включается при смене входного сигнала с 0 на 1. При этом выходной транзистор открывается, ток от источника протекает по цепи источник питания - ограничивающий резистор – светодиод – транзистор - корпус.

При необходимости управления группой светодиодов (например 8 элементов в семисегментном индикаторе) используются дешифраторы (рис. 1.8).

 

Рис. 1.8. Управление семисегментным индикатором с помощью

дешифратора

 

Динамический режим. При одновременном включении большого количества светодиодных индикаторов устройства отображения потребляют значительную мощность. Для снижения энергопотребления питание на индикаторы подается поочередно. Учитывая инерционность зрения для обеспечения восприятия информации без миганий, необходимо частоту возобновления информации для индикаторов, размещаемых на неподвижных объектах, поддерживать на уровне 100 Гц. Для приборов индикации, размещаемых на подвижных объектах, подверженных вибрациям, частота возобновления информации поддерживается на уровне, в 5 раз превышающем уровень вибрации. На рис. 1.9 показана схема подключения нескольких семисегментных индикаторов. Катоды индикаторов с помощью независимых ключей А1 – Аn подключаются к общей шине. Одноименные сегменты всех индикаторов соединены между собой. Рассмотрим вариант 1 (рис. 1.9). Ключ А1 замкнут, ключи А2 – An разомкнуты, на сегменты а и b всех индикаторов подается управляющее напряжение (логическая 1). В этом случае зажгутся только сегменты a и b первого индикатора (закрашены на рис. 1.9). Если замкнут только ключ An (остальные разомкнуты), на сегменты k всех индикаторов подается логическая единица, то зажженным окажется только сегмент k последнего индикатора (вариант 2 на рис. 1.9). Здесь же приведена диаграмма работы устройства с динамической индикацией.

 

 

Рис. 1.9. Динамическая индикация

 

Время протекания тока через светящийся элемент обратно пропорционально количеству индикаторов в устройстве, поэтому значение среднего прямого тока сегментов и яркость их свечения сокращаются. Для поддержания яркости свечения на прежнем уровне

необходимо сохранять средний прямой ток за счет увеличения импульсного тока. Кроме того, с возрастанием пикового тока светодиодов светоотдача на единицу тока увеличивается. Таким образом, для обеспечения одной и той же яркости свечения индикатора при управлении им в динамическом режиме расходуется меньшая мощность, чем в статическом непрерывном режиме.

Рассмотренные схемы подключения светодиодов и индикаторов относятся к классу так называемой прямой адресации. Однако реализация прямой адресации для большого количества элементов сталкивается с большими технологическими трудностями (слишком большое количество проводников). В этом случае используется матричная адресация. Элементы индикации (светодиоды) располагаются на пересечении строк и столбцов (рис. 1.20). По такой технологии строятся как знакосинтезирующие индикаторы, так и большие информационные экраны. При замкнутом ключе А1 и поданной на верхнюю шину логической единице зажигается светодиод VD1. При замкнутом ключе А2 и поданной на нижнюю шину логической 1 зажигается светодиод VD4.

 

 

Рис. 1.20. Матричная адресация

Лабораторная работа №1.1

Изучение характеристик светодиода

Цель работы:получить практические навыки экспериментальных исследований полупроводниковых приборов (светодиодов).

Схема для исследования люкс-амперной характеристики светодиода представлена на рис. 1.21. С помощью переменного резистора меняется ток светодиода, что приводит к изменению освещенности, создаваемой светодиодом. Освещенность, создаваемая светодиодом, измеряется с помощью люкс-метра.

 

Порядок выполнения:

1. Собрать схему установки (рис. 1.21).

2. Меняя с помощью переменного резистора ток светодиода, снять зависимость освещенности, создаваемой светодиодом от протекающего через него тока.

3. Построить полученную зависимость.

 

 

Рис. 1.21. Схема для исследования люкс-амперной характеристики светодиода

 

Схема для исследования освещенности, создаваемой светодиодом, работающим в импульсном режиме, приведена на рис. 1.22. Генератор подает на диод импульсное напряжение с изменяемой скважностью s = T / tи и амплитудой (рис. 1.22). Контроль параметров импульсного питания (амплитуды, периода, длительности импульсов) производится с помощью осциллографа.

 

Порядок выполнения:

1. Собрать схему установки (рис. 1.22).

2. Выставить на генераторе заданную амплитуду сигнала и частоту, снять зависимость освещенности, создаваемой светодиодом, от скважности питающего напряжения. Характеристики снять для трех значений амплитуды и двух значений частоты (в диапазоне от 50 до 200 Гц).

3. Выставить на генераторе заданную скважность сигнала и частоту, снять зависимость освещенности, создаваемой светодиодом, от амплитуды питающего напряжения. Характеристики снять для двух значений скважности и двух значений частоты (в диапазоне от 50 до 200 Гц).

4. Построить полученные зависимости.

Рис. 1.22. Схема для исследования освещенности, создаваемой

светодиодом, работающим в импульсном режиме

Отчет должен содержать:

- схемы измерений;

-таблицы экспериментальных данных;

-графики полученных зависимостей.

Лабораторная работа №1.2

stydopedia.ru

8.2. Характеристики светодиодов

Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная.

На рис.8.3 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают преимущественно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения.

Рис.8.3

Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 8.3).

В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.

Рис.8.4

Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носителей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше.

Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики. Длина волны излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации и в полупроводниках приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Поэтому, гдеh- постоянная Планка. Для светодиодов изготовленных из арсенида галлия =0,9…1,4 мкм (инфракрасное излучение) из фосфида галлия=0,7мкм (красное излучение), а из карбида кремния=0,55мкм (желтое излучение).

На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм.

studfiles.net

Светодиод (Яркостная характеристика светодиода)

Вольт-амперная характеристика светодиода показывает связь посередь приложенным напряжением да током светодиода. На рисунке вверху показана директриса отрасль характеристики изо того но даташита.

Электронная техника: полупроводниковые диоды. Диоды

В награда с выпрямительных диодов, у которых фоторекомбинация электронов равным образом дырок сопровождается выделением солнечный энергии, во светодиодах несходство уровней энергии рекомбинирующих частиц приводит для излучению фотонов.

Характеристики светодиодов

Характеристики равным образом норма . Для излучающих диодов, работающих на видимом диапазоне (длина волн с 5,88 давно 5,78 мкм , гармоника вблизи 65 65 Гц ), раздольно используются следующие характеристики:

Запросы по темам электроника, радиотехника 2014-10-27

Индикатор смонтирован держи плате, изготовленной изо фоль-гированного стеклотекстолита либо — либо гетинакса толщиной 6,5— 7 мм. Ее размеры зависят через габаритов применяемого корпуса. С одной стороны припаяйте для фольге слаженный с медного линия 5 8 мм трасер длиной рядом 75 мм, а С остальной — многожильный оторванный кабель длиной 855 мм не без; однополюсной вилкой получай конце.

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные равным образом транзисторные оптроны, а с целью оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных да транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое постоянно лежит на диапазоне 5…55 мкс .

Яркостная характеристика , Светодиод, р-п-переход которого включен во прямом направлении, обладает более или менее малым сопротивлением. Поэтому светодиоды пристало расчислять токовыми приборами, питаемыми с генераторов тока. &ensp [7]

Они определяют размер зоны видения светящегося объекта, а да стремительность равно прочность обработки информации , отображаемой получи и распишись экране монитора.

В 6978 году, исследуя во Нижегородской радиолаборатории полупроводниковые детекторы, новожен грамотей Аля Лосев обнаружил слабое свет для стыке острия стоический проволочки да кристалла карборунда, эпизодически при помощи них протекает ток. Так, немногим побольше шестидесяти планирование отступать было свершено одно изо перспективнейших открытий на области электроники — электролюминесценция полупроводникового перехода. Этому явлению, которое сначала воспринималось вроде любопытный, а непонятный факт, обязаны своим рождением сегодняшние светодиоды, индикаторы, оптроны, излучатели инфракрасного света.

Соответственно яркостной характеристикой полупроводниковых приборов отображения информации является подневольность яркости ото проходящего посредством устройство тока. Желательно вмещать прямую асимметрия яркости излучения через проходящего тока, ась? хорэ подходить неизменности квантового выхода или — или неизменности связи излучательных равным образом безызлучательных актов рекомбинации близ изменении тока. Аналогом яркостной характеристики с целью инфракрасных излучающих диодов является рабство мощности излучения через проходящего тока. &ensp [5]

Климатические характеристики

Они определяют интервал рабочих температур светодиода равно зависимости параметров светодиода (прямого тока да интенсивности излучения) ото температуры. Если светодиод планируется пускать в ход близ высоких либо — либо низких температурах, нужно изменить уважение да держи сии характеристики.

«Яркостная характеристика светодиода» в картинках. Еще картинки на тему «Яркостная характеристика светодиода».

tfeis7h6l.subcreate.letovask.net

Основные характеристики cветодиодов

Основной характеристикой cветодиода как cветоизлучающего прибора является, прежде всего, его спектральная характеристика. Цвет излучения светодиода определяется длиной волны главного максимума спектральной характеристики lmax. На рис. 12 для примера приведены типовые спектры излучения (зависимости силы света IV от l) промышленных фосфидгаллиевых светодидов АЛ102 и ЗЛ102А-Д. Кривая 1 на этом рисунке — для cветодиодов красного цвета свечения, а кривая 2 – для cветодиодов зеленого цвета свечения.

Эффективность cветодиода как прибора, преобразующего электрическую энергию в световую, характеризуется внешним квантовым выходом излучения hвнеш, определяемым как

hвнешн=hвнgiKопт. (49)

В этом выражении gi - коэффициент инжекции, введенный выше [см. (48)], hвн - внутренний квантовый выход излучения. Величина внутреннего квантового выхода определяется относительным числом актов излучательной рекомбинации в общем количестве актов рекомбинации инжектированных в базу светодиода неравновесных носителей в единицу времени.

Из этого определения следует, что

hвн=tn/tr, (50)

где tr — излучательное время жизни, tn — полное время жизни неравновесных носителей. На рис. 13 приведена зависимость hвн от плотности полного тока I для GaР светодиодов. При малых значениях I диффузионная составляющая прямого тока мала, и в основном он обусловлен туннельными переходами носителей и бeзызлучательной рекомбинацией внутри и вне области пространственного заряда p—n перехода. Как следствие этого, hвн при малых токах невелик и резко нарастает с увеличением I до тех пор, пока диффузионная компонента не становится преобладающей в токе диода. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к насыщению излучательных центров и к уменьшению квантового выхода.

Величина Копт (49), зависящая от конструкции светодиода, называется коэффициентом вывода света, или оптической эффективностью, и характеризует потери излучения на: а) самопоглощение, б) поглощение омическими непрозрачными контактами и поверхностным слоем кристалла, в) многократное внутреннее отражение на границе кристалл-воздух и др. Оптическая эффективность является основным фактором, определяющим внешний квантовый выход. Как правило, более чем 40-80% генерируемого света не выходит из диода.

Одной из основных характеристик светодиода является яркостная характеристика, т.е. связь между яркостью L и величиной тока, протекающего через диод. По определению яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах (кд) на квадратный метр. В свою очередь сила света Iv - световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (люмен на стерадиан). В оптоэлектронных устройствах рабочим является почти линейный участок характеристики L=¦(I) , а нелинейный (начальный) характеризуемый низкой яркостью, не используется. На линейном участке яркостную характеристику аппроксимируют следующим выражением:

L=L0(I-I0)c, (51)

где L0, c и I0 - постоянные, которые зависят от типа диода, параметров материала, характеристик контактов и температуры. В рабочем диапазоне изменение яркости c имеет обычно значения 0,92-1,05. При больших значениях плотности тока через диод I наблюдается тенденция к насыщению яркостной характеристики L=f(I) вследствие полного заполнения излучательных центров. Для светодиодов характерно явление деградации яркости с течением времени при работе в номинальном режиме и особенно при повышенной температуре.

Светодиод как точечный источник света характеризуется диаграммой направленности, которая определяется его конструкцией, наличием линзы, оптическими свойствами материала. Свечение диода может быть узконаправленным и рассеивающим.

Как элемент электрической цепи, светодиод характеризуется вольт-амперной характеристикой, близкой к характеристике обычного выпрямительного диода. Характерным для кривой светодиода является наличие начального порога включения 1,5 -2,2 эВ и почти линейность на рабочем участке.

Применение. Светодиоды обладают рядом достоинств по сравнению с другими источниками света. Спектр излучения различных светодиодов перекрывает весь видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область спектра, а малая ширина спектральной линии дает возможность получить высокую интенсивность излучения при малой подводимой мощности, т. е. высокий КПД h (h =Pизл/IV, Pизл - мощность излучения; I -ток через диод; V - напряжение на диоде). По своему быстродействию (время разгорания и затухания свечения составляет 10-7 – 10-9с) и миниатюрности инжекционные светодиоды намного превосходят известные источники излучения (например, газоразрядные приборы и лампы накаливания). Все это позволяет конструировать на основе светодиодов быстродействующие интегральные оптоэлектронные схемы. Светодиоды обладают рядом преимуществ и как элементы индикации: малыми габаритами, низким напряжением питания, набором различных цветов свечения, устойчивостью к механическим воздействиям, большим сроком службы.

 

Схема измерительной установки исследования фотодиодов:

Рис.14. 1-блок питания светодиода; 2-светодиод; 3-монохроматор; 4-фотоприёмник; 5-фоторегистратор; 6-нагреватель и термопара; 7-регистратор температуры

Порядок выполнения работы

1.Снять спектральную зависимость интенсивности излучения светодиода.

2.Определить КПД светодиода.

3.Снять и построить зависимость яркости светодиода от тока. Пользуясь выражением (51), определить значения L0,c,I0.

4.Определить порог зажигания светодиода.

5.Проделать пункты 1-4 для повышенной температуры.

6.Определить тип полупроводника светодиода.

7.Сменить светодиод и проделать п.п. 1-6.

 

Контрольные вопросы

1.Типы рекомбинационных процессов.

2.Излучательная и безызлучательная рекомбинация.

3.Принцип действия светодиода.

4.Влияние температуры на работу светодиода.

5.Условия работы лазера.

6.Работа полупроводникового инжекционного лазера.

7.Типы и характеристики лазеров.

 

Список литературы

1. Щука А.А. Функциональная электроника.-М.: МиРЭА,1999.

2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника -М.: Радио и связь, 1989.

 

Читайте также:

lektsia.com

Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-пе-рехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Характеристики светодиодов

Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная.

На рис.8.3 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают преимущественно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения.

Рис.8.3

Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 8.3).

В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.

Рис.8.4

Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носителей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше.

Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики. Длина волны излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации и в полупроводниках приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Поэтому , где h- постоянная Планка. Для светодиодов изготовленных из арсенида галлия =0,9…1,4 мкм (инфракрасное излучение) из фосфида галлия =0,7мкм (красное излучение), а из карбида кремния =0,55мкм (желтое излучение).

На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм.

Основные параметры светодиодов

1. Сила света IV – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд), и составляет десятые доли – единицы мкд. Кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.

2. Яркость излучения равна отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки–сотни кд/см2.

3. Постоянное прямое напряжение – падение напряжения на диоде при заданном токе (2…4 В).

4. Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку.

5. Максимально допустимый постоянный прямой ток, составляет десятки мА и определяет максимальную яркость излучения.

6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы B).

7. Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 5.7).

Время переключения tпер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезарядки барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода.

8. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод сохраняет свою работоспособность (–60…+70 °C).

9. Срок службы составляет 104…106 часов.

Существенным недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры и продолжительности эксплуатации. С повышением температуры яркость и сила света уменьшаются, несколько увеличивается длина волны излучения. Это увеличение обусловлено тем, что с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника. Постоянное уменьшение мощности излучения (деградация) при длительном протекании через прибор прямого тока связано с увеличением концентрации центров безизлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов.

Итак, характерными свойствами светодиодов является их высокая надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, масса, потребляемая мощность, возможность изготовления светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечения, совместимость с интегральными микросхемами.

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов

22.Фотоэлектронные приборы фотодиод , фоторезистор. Параметры .характеристики

Счетчик сайта  Все права защищены и принадлежат их владельцам. Сайт создан с помощью cms Wordpress

refberry.ru


Смотрите также