Иванов В. И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин; Под ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 184 с, ил. 55 к. 150 000 экз.


Рассмотрены принципы действия и приведены характеристики и основные параметры полупроводниковых оптоэлектронных приборов. Рассмотрены основные области и схемотехнические вопросы применения светодиодов и индикаторов на основе светодиодов, излучателей инфракрасного спектра, оптронов и фотоприемников, оптоэлектронных микросхем.
Для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, а также широкого круга радиолюбителей.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Отечественная промышленность выпускает широкую номенклатуру изделий электронной техники, применение которых позволяет создавать эффективную малогабаритную, экономичную и надежную электронную аппаратуру. Важное место в общей номенклатуре изделий электронной техники занимают оптоэлектронные приборы.
Основой оптоэлектроники является использование электромагнитного излучения оптического диапазона для передачи, обработки или отображения информации. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы являются приборами, чувствительными к электромагнитному излучению в спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового или излучающими электромагнитную энергию в том же диапазоне.
Рассматриваемые в данном справочнике полупроводниковые оптоэлектронные приборы, хотя и различны по функциональному назначению, имеют в основе своей общий физический принцип действия и потому составляют единое семейство приборов некогерентной оптоэлектроники, которая является в настоящее время интенсивно развивающейся областью электронной техники.
Настоящий справочник является изданием, впервые обобщающим все практические сведения по полупроводниковым оптоэлектронным приборам, необходимые при разработке радиоэлектронной аппаратуры. О подавляющей части приборов сведения публикуются впервые.
Книга состоит из разделов, в каждом из которых рассмотрен определенный класс приборов. Кроме справочных данных в каждом разделе имеются сведения о физике работы, особенностях электрооптических характеристик и о применении данного класса приборов.
Сведения о параметрах и предельных эксплуатационных режимах приводимых приборов взяты из технических условий на эти приборы. Определения и буквенные обозначения параметров даны с учетом действующих Государственных стандартов СССР: ГОСТ 22274-80. Излучатели полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров; ГОСТ 23562-79. Оптопары. Термины, определения и буквенные обозначения параметров; ГОСТ 19480-74. Микросхемы интегральные. Электрические параметры. Термины, определения и буквенные обозначения.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ
1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПАРАМЕТРЫ, ПРИМЕНЕНИЕ
Светоизлучающим диодом (СИД) называется полупроводниковый диод, предназначенный для отображения информации. Рабочим участком вольт-амперной характеристики СИД является прямая ветвь. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Инжектированные неосновные носители заряда рекомбинируют. При этом они переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий, а избыточная энергия выделяется в виде кванта света. Длина волны излучения X связана с изменением энергии электрона Д£ при таком оптическом переходе соотношением
Обычно Д£ почти равно энергетической ширине запрещенной зоны tg полупроводника, на основе которого изготовлен диод.
Длина волн видимого глазом света составляет и,4Ьмкмl,8 эВ. Основными материалами, применяющимися в настоящее время для изготовления светоизлучающих диодов, являются фосфид галлия, карбид кремния и твердые растворы, имеющие состав: галлий—мышьяк—фосфор и галлий-мышьяк — алюминий.
Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения диода. Например, в зависимости от концентрации цинка и азота в фосфиде галлия цвет свечения может изменяться от красного до зеленого.
Светоизлучающие диоды предназначены для визуального восприятия отображаемой информации. Эффективность воздействия светового излучения на зрение зависит от длины волны излучения и определяется значением относительной функции видности. График этой функции показан на рис. 1.1. Функция видности — это зависимость монохроматической чувствительности глаза человека, отнесенной к значению максимальной чувствительности, от длины волны воспринимаемого излучения. Максимальная чувствительность п3кс соответствует зеленой части спектра, т. е. длине волны Я= =0,55 мкм.
Основные параметры светоизлучающих диодов следующие: сила света /у — излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделах;
яркость L — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квадратный метр при заданном значении прямого тока через диод;
постоянное прямое напряжение £/пр — значение напряжения на светодиоде при протекании постоянного прямого тока;
максимально допустимый постоянный Прямой ТОК Inpmax —
максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода;
максимально допустимое обратное постоянное напряжение Uotpmax — максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к диоду, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;
максимально допустимое обратное импульсное напряжение Vовр.и max — максимальное пиковое значение обратного напряжения на светодиоде, включая как однократные выбросы, так и периодически повторяющиеся;
максимум спектрального распределения Хтах — длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики излучения светодиода.
Характеристикой диода как источника света является зависимость яркости от прямого тока, т.е. L=/(/np) (яркостная характеристика) или зависимость силы света от прямого тока, т. е. Iv — —fUnp) (световая характеристика).
Цвет свечения характеризуется спектральными характеристиками излучения диодов. Диоды на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными максимумами в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества активирующих примесей, внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, соотношение между значениями этих максимумов изменяется в сторону красного или зеленого цвета. При достижении этого соотношения 10 : 1 и выше получают красный или зеленый цвета излучения. При соотношениях максимумов 10:4 получаются светодиоды желто-оранжевого цвета свечения.
Излучение диода характеризуется диаграммой направленности, которая определяется конструкцией диода, наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала. Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным.
Вольт-амперная характеристика светоизлучающего диода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода.
Основные параметры диодов зависят от температуры. Зависимость яркости (силы света) от температуры практически линейная. С увеличением температуры яркость (сила света) уменьшается. В интервале рабочей температуры яркость (сила света) может изменяться в 2—3 раза.
Диоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу. В технических условиях обычно указываются крайние значения параметров, являющихся критерием годности приборов при их производстве. На графиках приводятся характеристики для средних значений и границы 95 %-ного разброса параметров.
Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10~8 с после подачи импульса прямого тока. Однако для устройств отображения, в которых обычно используются светодиоды, быстродействие не является критичным. Поэтому временные параметры и зависимости для серийных светоизлучающих диодов не приводятся.
Диод с переменным цветом свечения типа АЛС331А содержит в корпусе два светоизлучающих перехода, один из которых имеет резко выраженный максимум спектральной характеристики в красной полосе, другой — в зеленой. При совместной работе цвет излучения зависит от соотношения токов через переходы.
Диоды некоторых типов изготавливаются в металлических корпусах со стеклянной линзой, обеспечивающей направленное излучение света.
Светодиоды типов АЛ307, АЛ310, АЛ316, АЛ112А, АЛ112Б АЛ112В, АЛ112К, АЛ112Л, АЛ112М изготавливают в пластмассовых корпусах, выполненных из оптически прозрачного компаунда, создающего рассеянное излучение. Изготавливаются также бескорпусные диоды. Во избежание механических повреждений и загрязнения поверхности их поставляют в специальной таре-спутнике. При монтаже кристаллы этих диодов приклеивают клеем ОК.-72Ф.
Светоизлучающие диоды в основном применяются как элементы индикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряжения питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний.
На рис. 1.2 показана схема устройства сигнализации установления заданной температуры в термостатируемом объеме. Датчиком температуры является терморезистор R1. При температуре ниже заданной сопротивление терморезистора большое, транзистор 77 заперт и горит диод Д1 красного цвета. При достижении заданной температуры сопротивление Rt уменьшается, отпирается 77, гаснет диод Д1 и загорается диод Д2 зеленого цвета свечения.