Светодиоды

May 26, 2010 by admin Комментировать »

В 1923 году, исследуя в Нижегородской радиолаборатории полупроводниковые детекторы, молодой ученый Олег Лосев обнаружил слабое свечение на стыке острия стальной проволочки и кристалла карборунда, когда через них протекает ток. Так, немногим более шестидесяти лет назад было сделано одно из перспективнейших открытий в области электроники — электролюминесценция полупроводникового перехода. Этому явлению, которое поначалу воспринималось как интересный, но малопонятный феномен, обязаны своим рождением сегодняшние светодиоды, индикаторы, оптроны, излучатели инфракрасного света.

Как же возникает свечение в полупроводнике? Вспомните принцип действия плоскостного диода (см. «М-К», № 12, 1982, «Улица с односторонним движением»). Он составлен из двух крошечных кристалликов с разным типом проводимости. В одном из них с помощью доноров создают проводимость электронного типа (или n-типа), в другом, добавляя акцепторы, — дырочную (или р-типа). Микронная граница между кристалликами называется р-n переходом. В электронной области получается высокая концентрация электронов, в дырочной — дырок. Возникающее неравновесие немедленно вызывает диффузию, стремящуюся выровнять создавшиеся концентрации, равномерно «растворить» заряды по всему объему кристалла. Через р-n переход электроны начинают проникать в дырочную область, а дырки — в электронную. Если бы те и другие не обладали электрическим зарядом, рано или поздно произошло их полное «перемешивание». Однако вскоре после начала диффузии аналогия с раствором резко нарушается. Проникшие на «чужую» половину заряды образуют друг с другом как бы заряженный конденсатор с сильным встречным электрическим полем, прекращающим дальнейшую диффузию. На р-n переходе образуется потенциальный барьер. Высота его растет с увеличением концентрации примесей и со снижением температуры полупроводника.

Вспомнив все это, мы вплотную подошли к пониманию механизма излучения света в полупроводнике. Осталось уяснить, как течет ток через р-П переход.

Если приложить к полупроводнику с р-n переходом обратное электрическое поле, то есть подать «плюс» на электронную часть, а «минус» — на дырочную, то потенциальный барьер вырастет еще больше и ток через р-n переход будет очень мал (обратное поле запирает переход).

Если же подать на кристалл поле в прямом направлении с «минусом» на электронной и «плюсом» на дырочной зоне, то высота барьера уменьшится и он может быть вообще снят. Тогда ничто не помешает зарядам двигаться под действием электрического поля, рекомбинируя вблизи р-п перехода. При этом они переходят с высокого энергетического уровня на низкий, а избыточная энергия выделяется в виде кванта света (см. рис.).

Наиболее интенсивное излучение связано с изменением энергии электронов, близким к энергетической ширине запрещенной зоны полупроводника, на основе которого изготовлен диод. Так, например, излучения германия и кремния, у которых ширина запрещенных полос составляет соответственно 0,7 и 1,1 электрон-вольта (сокращенно эВ), лежат в инфракрасной части спектра. Поэтому для светоиз-лучающих диодов используются полупроводниковые материалы со сравнительно большой шириной запрещающей зоны (превышающей 1,8 эВ). К ним относятся фосфид галлия, карбид кремния и твердые растворы, имеющие состав: галлий — мышьяк — фосфор и галлий — мышьяк — алюминий.

Но свет мало получить, его надо еще вывести из кристалла. И если даже вероятность рекомбинационного излучения высока, из этого вовсе не следует, что вероятность его выхода тоже будет высокой. Большинство полупроводников имеет большой коэффициент преломления. Так что если не принять специальных мер, излученный свет может просто «заблудиться» в кристалле, претерпев полное внутреннее отражение и превратившись в конце концов в бесполезное тепло.

Чтобы этого не произошло, кристаллики делают как можно меньше, а свет из них выводят через сферическую поверхность — откуда бы ни пришел к ней луч, он будет падать перпендикулярно и выйдет наружу, не отразившись.

Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным. Его характеризует диаграмма направленности, которая определяется конструкцией полупроводникового прибора, наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала (см. рис.).

Поскольку светоизлучающие диоды предназначены для зрительного восприятия отображаемой информации, то излучение их должно быть многоцветным. Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет свечения диода. Например, диоды на основе фосфида галлия имеют максимумы излучения в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества примеси цинка и азота, внедренных в структуру излучающего кристалла при его изготовлении, цвет свечения может быть красным, желто-оранжевым или зеленым.

Существуют даже приборы с переменным цветом свечения. В одном корпусе заключают два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум в красном участке спектра, другой — в зеленом. Результирующий цвет излучения зависит от соотношения токов, протекающих через переходы.

Яркость L или сила 1у излучаемого света зависит от величины протекающего через диод прямого тока 1Пр> то есть L = f(lnp) — яркостная характеристика или Iv ={(1цр) — световая характеристика.

clip_image004


Принцип действия светодиода.

clip_image006

Внешний вид светодиодов.

clip_image008

Условное графическое обозначение светодиода.

clip_image010

Электрическая схема пробника.

clip_image012

Монтажная плата прибора со схемой расположения элементов.

clip_image014

Внутренняя компоновка индикатора.

Что же определяют эти параметры? Сила света ‘v, измеряемая в канделах, указывает на величину излучаемого диодом светового потока, приходящегося на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости светящегося кристалла. При этом протекающий через него прямой ток должен иметь определенное заданное значение.

Яркость L обозначает, какую силу света излучает единица площади светящейся поверхности. Измеряется эта величина в канделах на квадратный метр при заданном значении прямого тока, протекающего через диод.Каждый тип светодиодов рассчитан на определенный максимально допустимый постоянный прямой ток 1пр шах, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе полупроводникового прибора.

В справочниках указывают также величину максимально допустимого обратного постоянного напряжения Uo6p тя%. приложенного к светодиоду, при котором обеспечивается длительная и надежная работа прибора.

clip_image016

Параметр U06p. и max характеризует предельные значения обратных импульсных напряжений на светодиоде.

Основные параметры саетодиодов зависят от температуры Поэтому она оказывает такое заметное влияние на яркость (силу света). Так, у одного и того же кристалла интенсивность свечения может меняться в 2—3 раза в интервале рабочих температур. Причем с увеличением температуры яркость (сила света) уменьшается.

На принципиальных схемах светодиод обозначается как и обычный полупроводниковый диод, помещенный в круг, от которого направлены стрелки — лучи света (см. рис.).

Светодиоды применяются в основном как элементы индикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряжения питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний.

А теперь предлагаем читателям познакомиться с одним из практических применений светодиодов — в качестве индикатора напряжения. С помощью такого несложного устройства можно не только удостовериться в наличии напряжения в электрической цепи, но и узнать, переменное оно или постоянное. В последнем случае прибор определит и его полярность, указав с помощью световой точки «плюс» или «минус». Кроме того, по яркости свечения светодиодов можно получить представление и о величине измеряемого напряжения.

Индикатор можно собрать в корпусе от использованного фломастера или автокарандаша. У него удаляют пишущий узел, сверлят в торце колпачка отверстие, через которое пропускают многожильный изолированный провод. В нижней части корпуса сверлят два отверстия под светодиоды.

Индикатор смонтирован на плате, изготовленной из фоль-гированного стеклотекстолита или гетинакса толщиной 1,5— 2 мм. Ее размеры зависят от габаритов применяемого корпуса. С одной стороны припаяйте к фольге изготовленный из медного провода 0 3 мм щуп длиной около 25 мм, а С другой — многожильный изолированный провод длиной 800 мм с однополюсной вилкой на конце.

В индикаторе можно применить любые светодиоды серий АЛ102, АЛ307, АЛ310. Правда, светодиоды АЛ102 имеют слабую яркость свечения из-за сравнительно небольшой площади излучающей поверхности. Однако путем несложной доработки яркость его свечения можно увеличить. Для зтого на линзу светодиода наносят каплю эпоксидной смолы — она должна оставаться прозрачной после отверждения. Капля образует короткофокусную линзу, которая облегчает определение состояния диода — светится он или нет.

Светоизлучающим торцом полупроводникового прибора касаются поверхности жидкой смолы. До полного отверждения смолы он должен находиться в положении выаодеми вверх.

В электрической схеме индикатора (см. рис.) есть одна особенность. Резистор R1 — нелинейный, то есть при нагреве сопротивление его увеличивается, ограничился тем самым ток, протекающий через светодиод. Величину сопротивления резистора определяют по формуле:

clip_image018

где U щах — максимальное напряжение, которое собираются определять с помощью индикатора, 1Пр тах — максимально допустимый постоянный прямой ток светодиода.

Вместо нелинейного резистора можно использовать постоянные резисторы МЛТ при условии, чтобы их суммарная мощность составляла 3—4 Вт.

После монтажа элементов и установки щупа плату вставляют в корпус и прижимают изоляционной прокладкой так, чтобы светодиоды слегка выступали из отверстий на боковой поверхности корпуса.

Когда сборка завершена, проверьте работу индикатора, подсоединив вилку и щуп пробника к источнику напряжения. Помните, что малейшее несоблюдение мер предосторожности может привести к поражению электрическим током. Поэтому, подключая индикатор к электросети, обращайте внимание на соблюдение техники безопасности.

Если напряжение переменное, должны гореть оба светодиода. О наличии постоянного напряжения сигнализирует один светящийся диод. Когда вилка подсоединена к «минусу», а щуп — к «плюсу», рядом со светящейся точкой на корпусе индикатора напишите знак «+». При смене полярности постоянного напряжения, когда щуп будет подсоединен к «минусу», а вилка — к «плюсу», должен гореть другой светодюд — рядом С ним начертите знак «—».

А, ВАЛЕНТИНОВ, С. МЫСКИН

Моделист-конструктор

OCR Pirat

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты