Полупроводниковые элементы индикации

Принцип действия полупроводниковых элементов индикации основывается на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда, прошедших электронно-дырочный переход, смещенный в прямом направлении. Представителем полупроводниковых элементовиндикации является светодиод (рис. 7.4, а, б).

Рис. 7.4 Светодиод: планарная (а) и полусферическая (б)конструкции; вид сбоку и габаритные размеры светодиодовсерии АЛ 102 (в)

Как известно, рекомбинация характеризуется переходом электрона из зоны свободных уровней на уровни валентной зоны. Излучение кванта света, связанное с отдачей энергии электроном при переходе на более низкий уровень энергии, свойственно всем полупроводниковым материалам. Однако для многих из них, например, для германия и кремния, измеряемая энергия мала и излучение находится в невидимой части спектра. Причиной является относительно малая ширина запрещенной зоны Δ Wз этих полупроводников. Излучение видимого света при рекомбинации носителей заряда генерируют полупроводниковые материалы, имеющие большую, чем у германия и кремния, ширину запрещенной зоны. Наибольшее применение при изготовлении светодиодов получили фосфид галлия GaP (Δ Wз = 2,2 эВ), арсенид галлия GaAs (Δ Wз = 1,5 эВ) и карбид кремния SiC                                          (Δ Wз = 2,3— 3,1 эВ).

Длина волны (цвет) излучаемого света определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит преимущественный переход электронов при рекомбинации. Эта разность может быть близка к ширине запрещенной зоны (как в арсениде галлия) или меньше ее (как в фосфиде галлия и карбиде кремния). В первом случае рекомбинация носителей заряда сопровождается непосредственным переходом электронов из зоны проводимости в валентную зону (прямая рекомбинация). Во втором случае рекомбинация происходит через рекомбинационные центры (ловушки), локальные уровни энергии которых располагаются внутри запрещенной зоны (непрямая рекомбинация). Путем подбора типа дополнительно вносимой примеси можно задавать требуемые значения локальных уровней и тем самым получать необходимый цвет свечения (в частности, красный, желтый, оранжевый и зеленый).

Слайд 6(2)

Рис. 7.4 Светодиод: планарная (а) и полусферическая (б)конструкции; вид сбоку и габаритные размеры светодиодовсерии АЛ 102 (в)

Электронно-дырочный переход светодиодов (рис. 7.4, а, б) выполняют несимметричным, с концентрацией дырок в р-слое (эмиттере), много большей концентрации электронов в п -слое (базе). Тем самым при прямом напряжении смещения ток в светодиоде создается преимущественно дырками эмиттера, переходящими под действием инжекции в базу, где они рекомбинируют с электронами.

Свет в светодиодах генерируется вблизи р-n-перехода, откуда он распространяется во всех направлениях прямолинейно. Конструкцию светодиода выполняют такой, чтобы получить наибольшую поверхность светоотдачи при наименьшей потере света за счет его поглощения в толще полупроводника. Этим обусловливаются и малые габариты светодиодов. Интенсивность излучения существенно повышается при выполнении светодиодов из прозрачного материала (фосфида галлия).

Вольт-амперная характеристика светодиодов подобна характеристикам германиевых и кремниевых диодов. Отличие проявляется в большем падении напряжения при протекании прямого тока. Это связано с большей шириной Δ Wз полупроводников, используемых для производства светодиодов. С увеличением прямого тока их яркость свечения -возрастает. Светодиоды применяют в непрерывном и импульсном режимах работы. Их рабочие напряжения в непрерывном режиме составляют 3-6 В, а токи - 5 -15 мА. В импульсном режиме амплитуда тока может быть в десятки раз больше его среднего значения. При этом мощность, рассеиваемая в приборе, пс должна превышать допустимую мощность, составляющую для светодиодов 20-100 мВт. Светодиоды характеризуются высоким быстродействием(10^-8— 10^-6 с). Яркость свечения составляет 10- 100 кд/м2(кандела-единица силы света), срок службы10—100 тыс. ч. Внешний вид и габаритные размеры светодиодов

серии АЛ 102 с линзой в отверстии корпуса показаны на рис. 7.4, в.

Слайд 7

Светодиоды находят применение для индикации режима работы узлов и блоков различных систем. Их миниатюрное исполнение используют для создания малогабаритных световых матричных экранов буквенно-цифровой индикации с высокой разрешающей способностью. Конструктивно такой экран (рис. 7.5) представляет собой набор из 35 светодиодов ( 5 x 7 элементов) на знакоместо, размещенных диэлектрической или металлической подложке (гибридный вариант).

Рис. 7.5 – Принцип выполнения матричных экранов на светодиодах

В интегральном варианте все светодиоды изготовляют на общей полупроводниковой пластине. Один вывод каждого светодиода связан с шиной его столбца, а другой — с шиной строки. Отображение информации на светодиодных экранах производится по принципу матричной адресации.

На основе светодиодов выполняют полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы (рис. 7.6, а, б). Число используемых светодиодов здесь равно количеству сегментов знакосинтезирующего символа (например, 7, рис. 7.6, б).

Рис. 7.6 -  Вид сбоку (а) и схема цоколевки цифрового индикатора КЛ104А (б) (1 — общий вывод анодов, 2—4, 6—9 — выводы катодов, 5 — свободный вывод)

С целью преобразования свечения точечного источника, каким является светодиод, в свечение сегмента сверху каждого светодиода наносят полоску из светорассеивающего материала. Этот принцип применяют при создании светодиодных панелей плоской конструкции с большим числом располагаемых в ряд или в несколько рядов знакомест. Светодиодные панели предназначены для отображения текстовой пли цифровой информации. Знакосинтезирующие полупроводниковые индикаторы выпускают с высотой отображаемых знаков до 15 мм. Благодаря невысокой стоимости, низким напряжениям питания, малой потребляемой мощности и большому сроку службы полупроводниковые индикаторы наиболее предпочтительны для создания современного переносного и портативного оборудования различного назначения. Их целесообразно применять также в устройствах, предназначенных дня отображения большого объема информации.

Слайд 8(1)