Светодиоды и фотодиоды

СВЕТОДИОДЫ И ФОТОДИОДЫ

Светодиод

• Светодио́д  или  светоизлучающий  диод это  полупроводниковый прибор с электронно- дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

• Рабочий ток светодиода лежит обычно в диапазоне 5…20 мА, поэтому практически во всех случаях  питание светодиода  выполняется через гасящий резистор. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода.

• Светодиоды бывают разных цветов и типов. Они могут испускать как видимое излучение, так и инфракрасное (ИК-излучение). Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза.
• Светодиоды в настоящее время используются очень широко, например, в различных устройствах индикации. Некоторое время назад появились  сверхъяркие светодиоды , которые используются для освещения помещений вместо ламп. Такие светодиоды потребляют в десятки раз меньше электроэнергии и имеют срок службы 30000 часов и выше, что в сотни раз больше срока службы любых ламп. Правда, стоимость таких светодиодов пока высока.

• Типы светодиодов На сегодняшний день на рынке можно встретить светодиоды следующих типов:
• DIP;
• Superflux или «пиранья»;
• SMD;
• COB.

Технологии DIP

Считаются первыми светодиодами массового применения. Так как для последних разработок подобная технология уже не актуальна, то на сегодняшний день подобными диодами оснащены только световые табло. Также они все еще используются для праздничных световых украшений разных видов или подсветок.  У DIP-светодиодов присутствует встроенная оптическая система: линза, формирующая необходимый световой пучок – рядом с которой расположен кристалл. Также каждый диод оснащен двумя контактами для монтажа.

Superflux или «пиранья»

Конструкция светодиодов этого типа похожа на DIP, однако, контактов не два, а четыре. Благодаря этому диоды меньше перегреваются и лучше крепятся на поверхности.  «Пираньи» также постепенно уходят с рынка, так как для внутреннего и наружного освещения используются более современные типы конструкций, которые легче монтируются и занимают меньше места. Но в автомобильной промышленности Superflux еще остаются весьма популярными из-за своей высокой теплопроводности и, соответственно, надежности.

SMD-светодиоды

Наиболее распространенный в современном освещении тип диодов. Благодаря своей универсальности может использоваться, практически, где угодно.  Светодиоды этого типа отличаются способом монтажа. Это отражено и в самом наименовании, так как расшифровка SMD переводится с английского как «монтируемый на поверхность прибор». Компоненты светодиодов устанавливаются на поверхность платы, что в свою очередь позволило улучшить теплоотвод, уменьшить габариты всей конструкции и разработать большое количество вариантов исполнения.

Светодиоды, основанные на COB-технологии

COB переводится как «чип на плате», что, как и в случае с SMD-диодами, обозначает способ монтирования. Светодиоды, созданные по данной технологии, обладают установленными прямо на плату несколькими чипами. Такой метод обеспечивает высокую надежность и теплопроводность, а также миниатюрность. Для COB-диодов используются керамические или алюминиевые пластины. Кроме этого, данная технология гораздо дешевле в производстве, по сравнению с диодами типа SMD. Выпускаемые сегодня COB-светодиоды составляют больше 20% от общего объема производства, и эта цифра неуклонно растет. 

Строение светодиода

Схема подключения светодиода

Фотодиод  

• это полупроводниковый прибор, который имеет светочувствительную поверхность. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение. Этот эффект используется в различных оптических датчиках. Например, пара светодиод-фотодиод используется в компьютерной мыши. Такой режим работы носит название фотодиодный режим .

• Фотодиод может работать и в режиме генерации электроэнергии (солнечные батареи). В этом случае напряжение на светодиод не подаётся, а наоборот, снимается. Это называется фотогальванический режим .

• Таким образом,  принцип работы фотодиода  определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.

Классификация

• 1) p-i-n фотодиод
• 2) Фотодиод Шоттки
• 3) Лавинный фотодиод
• 4) Фотодиод с гетероструктурой

p-i-n фотодиод

• В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле

Достоинства и недостатки p-i-n фотодиода

• Достоинства:
• 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
• 2) высокая чувствительность и быстродействие
• 3) малое рабочее напряжение U раб
• Недостатки:

• сложность получения высокой чистоты i-области

Фотодиод Шоттки

фотодиод с Барьером Шоттки

Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа

Барьер Шоттки

• потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника: 

Лавинные фотодиоды

• высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприемников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей.

Принцип работы Лавинный фотодиодов

• При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электро-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

Особенности фотодиодов

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Изображение фотодиода на схеме