4. DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH
I DIODY OPTOELEKTRONICZNE

Dioda jest to przyrząd dwuelektrodowy o niesymetrycznej charakterystyce prądowo-napięciowej, łatwo przepuszczający prąd w jednym kierunku i blokujący przepływ prądu w przeciwnym kierunku. Jest ona więc swego rodzaju odpowiednikiem elektrycznym wentyla rowerowego.

Diody mogą być wykonywane jako przyrządy próżniowe, gazowane lub półprzewodnikowe. Dwa pierwsze rodzaje diod straciły znaczenie praktyczne wraz z wyparciem techniki lampowej przez aktualnie powszechnie stosowaną technikę półprzewodnikową, dlatego zostaną pominięte w skrypcie.

Diody półprzewodnikowe są wykonywane z kryształu półprzewodnika odpowiednio uformowanego, do którego dołącza się dwie elektrody metaliczne. Elektrody są mocowane w obudowie, przez którą przechodzą i która osłania kryształ półprzewodnikowy przed wpływem otoczenia.

4.1. Klasyfikacja i właściwości diod

W zależności od sposobu uformowania kryształu półprzewodnikowego wyróżnia się następujące rodzaje diod:

1) p-n - kryształ ma ściśle przylegające do siebie obszary: p oraz n, stanowiące tzw. złącze p-n,

2) p-i-n - kryształ ma pomiędzy częścią typu p i częścią typu n warstwę półprzewodnika samoistnego (typu i),

3) m-s - kryształ słabo domieszkowany („s” - ang. semiconductor) przylega do warstwy metalicznej (m); zwykle kryształ jest typu n - wówczas warstwa metaliczna pełni rolę warstwy typu p; są to tzw. diody typu Schottky'ego,

4) heterozłączowe - jak diody p-n, tylko że obszary p, n są z różnych półprzewodników, np. GaAs-AlGaAs.

W zależności od przeznaczenia diody dzieli się na:

1) ogólnego przeznaczenia,

2) prostownicze - przeznaczone do układów prostowniczych napięcia o częstotliwości sieci energetycznej, zwykle pracujących z dużymi prądami,

3) stabilizacyjne (Zenera) - przeznaczone do stabilizacji napięć przy niezbyt dużym poborze prądu,

4) pojemnościowe (warikapy) - do przestrajania obwodów rezonansowych przez zmianę napięcia polaryzacji diody,

5) przełączające - do szybkiego kluczowania (włączania i wyłączania) napięć i prądów, w tym również o znacznych wartościach oraz do szybkiego kluczowania sygnałów,w tym sygnałów wielkiej częstotliwości (w.cz.),

6) optoelektroniczne - fotodiody, ogniwa fotowoltaiczne, diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe,

7) mikrofalowe - do przełączania, demodulacji oraz generacji sygnałów mikrofalowych.

Charakterystyczne właściwości diod - to:

1) właściwości prostujące,

2) pojemność elektryczna zależna od napięcia polaryzacji,

3) zdolność szybkiego przełączania sygnałów i obwodów,

4) czułość na promieniowanie świetlne (ogniwa fotoelektryczne, fotodiody),

5) zdolność stabilizacji napięcia i zabezpieczenia przed przepięciami,

6) emisja promieniowania widzialnego lub podczerwonego (diody elektroluminescencyjne, lasery półprzewodnikowe),

7) zdolność do wzmacniania i/lub generacji sygnałów elektrycznych (diody mikrofalowe).

Mianem właściwości prostujące określa się zdolność do przekształcania napięcia (prądu) przemiennego w tzw. napięcie (prąd) stałe. Zdolność ta jest bezpośrednią konsekwencją nieliniowości charakterystyki prądowo-napięciowej diody, tj. zależności prądu płynącego przez diodę od napięcia przyłożonego pomiędzy jej końcówki, zwane tradycyjnie elektrodami - anodą i katodą.

Typowy kształt statycznej charakterystyki prądowo-napięciowej I(U) diody, tj. charakterystyki określanej w taki sposób, że po każdej zmianie napięcia odczyt prądu dokonuje się po ustaleniu się wszystkich procesów przejściowych, przedstawia rys.4.1. W części (a) rysunku przedstawiony jest symbol ogólny diody oraz przyjęte za dodatnie kierunki prądu i napięcia. Znak „+” oznacza dodatni biegun napięcia. Napięcie przyłożone na diodę jest dodatnie, gdy tak jak na rysunku biegun dodatni leży na elektrodzie zwanej anodą, natomiast biegun ujemny leży na katodzie. Prąd dodatni płynie przez diodę od anody do katody. Prąd dodatni, zwany prądem przewodzenia osiąga duże wartości (I_F) już przy niewielkim dodatnim napięciu, zwanym napięciem przewodzenia (U_F). Prąd ujemny (I_R), zwany prądem wstecznym, pozostaje mały nawet przy dużym napięciu ujemnym (wstecznym, U_R). Dopiero przy odpowiednio dużym napięciu wstecznym występuje znaczniejszy wzrost prądu wstecznego spowodowany zjawiskami przebicia elektrycznego.

Spróbujmy teraz rozważyć, dlaczego dioda posiada nieliniowość przedstawioną na rys.4.1. Wyjaśnienie tej kwestii wiąże się z zasadą działania diody i jest ważne również dla zrozumienia działania wielu innych popularnych przyrządów półprzewodnikowych - tranzystorów, tyrystorów i monolitycznych układów scalonych.

Rozważmy działanie krzemowej diody p-n ze strukturą półprzewodnikową przedstawioną na rys.4.2.a, zwaną złączem p-n.

W obszarze typu p występuje duża koncentracja dziur, zwykle od 10¹⁴ do 10¹⁸ cm^-3, i mała koncentracja elektronów, zwykle od 200 do 10⁶ cm^-3 w temperaturze pokojowej.

W obszarze typu n proporcje są odwrócone - mamy dużo elektronów i mało dziur.

Istnieje więc naturalna tendencja do wyrównywania koncentracji poszczególnych rodzajów nośników. Nośniki te, będąc w znacznej liczności, znajdują się w chaotycznym ruchu cieplnym i jak cząsteczki gazu dyfundują do obszarów o mniejszej gęstości zapełnienia. W odróżnieniu od sytuacji występującej w procesie dyfuzji elektrycznie obojętnych cząsteczek gazu, przemieszczeniu już niewielkiej liczby dziur do obszaru typu n i elektronów do obszaru typu p towarzyszy powstanie warstwy ładunku dipolowego w otoczeniu powierzchni granicznej obszarów (x_j). Po stronie typu p powstaje ładunek ujemny, a po stronie typu n - ładunek dodatni. Powstaje więc pole sił odpychających ładunki dodatnie (dziury) z obszaru typu p od powierzchni granicznej i odpychające elektrony od tej powierzchni w stronę typu n. Jest to pole elektryczne, które przeciwdziała ruchowi dyfuzyjnemu nośników ładunku. W warunkach ustalonych pole to wyraża się istnieniem w obszarze przejściowym bariery potencjału V_j (patrz rys.4.2b). Wartość jej jest zależna od wartości koncentracji domieszek donorowych po stronie typu n złącza i domieszek akceptorowych po stronie typu p. W typowych wykonaniach diod krzemowych wartość V_j wynosi 0,7÷0,9 V.

Bariera V_j powoduje, że przy braku pola zewnętrznego strumień dyfuzyjny dziur z obszaru typu p (dziur większościowych) do obszaru typu n jest całkowicie kompensowany strumieniem dziur mniejszościowych z obszaru typu n do obszaru typu p. Analogicznej kompensacji podlegają strumienie elektronów.

O ile jednak strumienie nośników mniejszościowych (dziur z obszaru typu n i elektronów z obszaru typu p) nie zależą od wysokości bariery potencjału, a jedynie od koncentracji nośników mniejszościowych, bo pole elektryczne wytwarza siły skierowane zgodnie ze zwrotami tych strumieni i wszystkie wymienione nośniki mniejszościowe, które dostaną się w obszar działania pola, przechodzą przez złącze, o tyle wielkość strumieni nośników większościowych jest silnie zależna od wysokości bariery potencjału hamującej ruch nośników tych strumieni. Gdyby bariera ta nie istniała, przepływałyby olbrzymie strumienie dyfuzyjne nośników większościowych, wyrównujące koncentracje nośników tego samego rodzaju po obu stronach złącza. Natomiast zwiększenie wysokości bariery już o 100 mV powoduje prawie całkowite zablokowanie możliwości przepływu dyfuzyjnego nośników większościowych.

Analiza ilościowa procesu przepływu nośników przez złącze, wykonana po raz pierwszy przez Wiliama Shockleya (jednego z trzech laureatów nagrody Nobla za wynalezienie tranzystora bipolarnego), dała wzór

I = I_S
(4.1)

gdzie: U - napięcie zewnętrzne przykładane do złącza (odpowiedzialne za zewnętrzne pole elektryczne), V_T - współczynnik, zwany napięciem termicznym, równy w temperaturze pokojowej ok. 26 mV, I_S - tzw. prąd nasycenia - prąd odpowiadający sumie skalarnej natężenia strumieni nośników mniejszościowych.

Napięcie termiczne występuje w wielu charakterystykach przyrządów półprzewodnikowych, dlatego podajemy poniżej jego określenie ilościowe

V_T = 
(4.2)

gdzie: k - stała Boltzmanna, T - temperatura w skali bezwzględnej, q- ładunek elementarny (wartość bezwzględna ładunku elektronu).

Wzór (4.1) jest nazywany charakterystyką statyczną prądowo-napięciową diody idealnej (rys.4.3).

Jeżeli więc potraktujemy wzór (4.1) jako funkcję I(U), to widać, że:

I(0) = 0;


(4.3)

- co stanowi wygodną aproksymację realnej charakterystyki I(U) diody (patrz rys.4.1) i teoretycznie uzasadnia możliwość traktowania diody jako elektrycznego równoważnika wentyla rowerowego.

Pojemność elektryczna diody pozwala stosować ten przyrząd jako specyficzny kondensator. Jest to możliwe zwłaszcza w sytuacji, gdy dioda jest spolaryzowana wstecznie (stałym napięciem ujemnym).

Okładkami tego “kondensatora” są obszary p i n, a dielektrykiem rozdzielającym okładki - warstwa, w której występuje bariera potencjału. Obszary p i n mają dużą koncentrację nośników większościowych, a więc - dużą przewodność elektryczną. Natomiast obszar bariery potencjału cechuje duże natężenie pola elektrycznego, które definiujemy wzorem

(4.4)

W środku bariery, gdzie stromość zmian potencjału jest największa, natężenie może dochodzić do 100 kV/cm. W obszarze bariery działają więc niezwykle duże siły elektryczne na swobodne ładunki. W wyniku działania tych sił ładunki swobodne są usuwane z obszaru bariery. Obszar ten dlatego jest nazywany “opróżnionym” i jako taki cechuje się skrajnie małą przewodnością elektryczną, a więc pełni rolę dielektryka.

Pojemnośc takiego kondensatora wyraża się wzorem

(4.5)

gdzie: S - powierzchnia złącza, d- grubość obszaru bariery, εε₀ - iloczyn względnej przenikalności elektrycznej półprzewodnika i przenikalności próżni.

Jest ona nazywana pojemnością barierową złącza. Jej specyfiką jest to, że grubość obszaru bariery zmienia się wraz ze zmianą wysokości bariery potencjału. Przy wyższej barierze mamy bowiem większe natężenie pola, a więc większe siły elektryczne, dlatego opróżnianie z nośników ładunku następuje z obszaru o większej grubości d.

Tymczasem wysokość bariery potencjału złącza (U_B) jest uwarunkowana wartością napięcia polaryzacji (U), bo

U_B = V_j - U (4.6)

Tak więc zwiększenie napięcia wstecznego (ujemnego) zwiększa wysokość bariery.

Analiza ilościowa pojemności barierowej pozwala opisać ją jako funkcję napięcia polaryzacji wzorem

C_j(U) = 
(4.7)

gdzie m - współczynnik zależny od profilu rozkładu domieszek w złączu. Zwykle m = 0,3÷1.

Wykres funkcji (4.7) ilustruje rys.4.4.

Dzięki zależności pojemności złącza p-n od napięcia polaryzacji dioda p-n jest wygodnym narzędziem do zmiany częstotliwości obwodów rezonansowych. Dlatego znalazła ona powszechne zastosowanie do strojenia odbiorników radiowych i telewizyjnych oraz w wielu innych układach elektronicznych jako tzw. warikap.

4.2. Prostownik i demodulator amplitudy

Zdolność diody do prostowania prądu (napięcia) zmiennego (przemiennego), tj. przekształcania w tzw. prąd stały, wynika bezpośrednio z nieliniowości jej charakterystyki prądowo-napięciowej (rys.4.1).

Prostownikiem nazywamy układ przekształcający napięcie przemienne na napięcie jednokierunkowe.

Proces przekształcania napięcia zmiennego (sinusoidalnego) na napięcie jednokierunkowe objaśnimy na przykładzie elementarnego prostownika jednopołówkowego z obciążeniem rezystancyjnym (rys.4.5).

Sinusoidalne napięcie u₁ podane na wejście 1-1 powoduje przepływ prądu i o kształcie impulsów prawie półsinusoidalnych. Amplituda tych impulsów (I_M), zwana również wartością szczytową prądu, jest proporcjonalna do amplitudy napięcia u₁, a współczynnik proporcjonalności jest uzależniony od kształtu charakterystyki I(U) diody w zakresie przewodzenia i wartości rezystancji R.

Prąd i ma wartość chwilową dodatnią tylko w czasie, gdy wartość chwilowa napięcia u₁ jest dodatnia. W pozostałym czasie prąd ma wartość pomijalnie małą, ponieważ dioda pracuje w zakresie zaporowym. Przebieg i(t) ma stałą składową I₀, zwaną wartością średnią prądu wyprostowanego.

(4.8)

Jest ona właściwym produktem wyjściowym prostownika. Pozostałe składowe przebiegu i(t) stanowią tzw. tętnienia.

W przypadku typowym wykorzystania prostownika do zasilania innych układów elektronicznych, jako odpowiednika baterii elektrochemicznej, tętnienia są usuwane przez odpowiednią filtrację. W takim typowym przypadku filtr podłącza się do zacisków 2-2, a obciążenie (R) zasilacza - do wyjścia filtru. W ten sposób uzyskuje się stałe napięcie zasilania o wartości

U₀ = R I₀ (4.9)

Właściwości prostujące diody w połączeniu z właściwościami obwodu równoległego RC mogą być wykorzystane do demodulacji sygnałów zmodulowanych amplitudowo (rys.4.6). Prosty układ diodowy takiego demodulatora nosi nazwę detektora szczytowego.

Jeżeli w układzie zastosuje się ogniwo RC o stałej czasowej znacznie mniejszej od okresu obwiedni (T₀) i znacznie większej od okresu nośnej (T_n) sygnału zmodulowanego, to na wyjściu 2-2 detektora otrzyma się przebieg obwiedni, różniący się od przebiegu modulującego składową stałą. Składową tę można z łatwością wyeliminować pobierając napięcie poprzez szeregowo włączoną dodatkową pojemność, dołączoną do górnego zacisku 2.

W demodulatorze amplitudowym dokonujemy początkowo prostowania sygnału zmodulowanego, a następnie odfiltrowujemy składowe w.cz. i składową stałą, co w efekcie odtwarza przebieg sygnału modulującego nośną.

4.3. Stabilizator na diodzie Zenera^*

Diody Zenera, to diody p-n wyróżniające się tym, że są głównie wykorzystywane w zakresie przebicia (patrz rys.4.1) i że przebieg charakterystyki statycznej w zakresie przebicia jest stosunkowo dokładnie określony.

Zakres przebicia diod Zenera jest nazywany zakresem stabilizacji diody. W danych znamionowych określa się go kilkoma parametrami charakterystycznymi: U_Z, r_Z, _UZ, P_max.

U_Z - napięcie Zenera (napięcie stabilizacji) - określa wartość napięcia wstecznego w zakresie stabilizacji przy przepływie prądu znamionowego I_Z, który dla diod Zenera małej mocy zwykle jest równy 5 mA. Punkt U_Z, , I_Z wypada zwykle w środkowej części zakresu stabilizacji (patrz rys.4.7.).

Wytwarza się całe serie diod Zenera o różnych wartościach napięć stabilizacji, tworzących ciągi takie same jak te, w których występują wartości rezystorów elektronicznych o tolerancjach: 20, 10, 5 i 1%. Najbardziej popularne serie diod Zenera mają napięcia stabilizacji w przedziale od 3,3 do 33 V.

Stromość charakterystyki I(U) w zakresie stabilizacji określa parametr r_Z - rezystancja dynamiczna.

(4.10)

Parametr ten, jak pokażemy to w dalszym tekście, pozwala ocenić skuteczność stabilizacji realizowanej za pomocą diody. Jego wartość w grupie diod małej mocy waha się w przedziale od ok. 5 do 100 Ω. Im wartość r_Z jest mniejsza, tym większa jest skuteczność stabilizacji.

Parametr _UZ - to temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji.

(4.11)

Parametr ten dla różnych diod przybiera różne wartości z przedziału od -600 do ok. +1000 ppm/K^*, z wyjątkiem specjalnych diod, tzw.diod Zenera termicznie skompensowanych, dla których ma wartości wielokrotnie mniejsze, np. 5 ... 20 ppm/K.

Parametr P_max, określa maksymalną moc, jaką można wydzielać w diodzie bez obawy o jej uszkodzenie, a nawet zmniejszenie niezawodności. Z wartości tego parametru wynika wprost jak duży może być prąd w zakresie stabilizacji diody o konkretnej wartości U_Z, tj. prąd I_Zmax.

(4.12)

Tak więc dioda o napięciu U_Z = 5 V i mocy P_max = 200 mW może pracować w zakresie stabilizacji z prądem do 40 mA.

Nadmienić w tym miejscu trzeba, że w katalogach przyrządów półprzewodnikowych parametry przyrządów są podawane zwykle przy założeniu, że przyrząd (dioda) ma temperaturę pokojową (25^oC lub 300^oK). Tymczasem parametry przyrządów są zależne od temperatury, jako że ta wpływa na koncentracje nośników, ich ruchliwość i przebieg procesu przewodzenia prądu. Szczególnie silnie zależnym od temperatury jest parametr P_max. Dla temperatur wyższych od pokojowej zależnośc temperaturową P_max opisuje wzór

P_max(T) = P_max(T₀)  
(4.13)

gdzie: T₀ - temperatura pokojowa, T_jmax - maksymalna temperatura struktury półprzewodnikowej (kryształu półprzewodnikowego) - podawana jako parametr znamionowy przyrządu; zwykle T_jmax = 150÷175^oC.

Stabilizator na diodzie Zenera to układ nieliniowego dzielnika napięciowego (rys.4.8a), w którym napięcie wyjściowe pobiera się bezpośrednio z diody.

Stabilizację napięcia wyjściowego uzyskuje się gdy napięcie wejściowe jest większe od U_Z0,

U_Z0 = U_Z - I_Z·r_Z (4.14)

Stabilizacja nie jest doskonała, a jej skutecznośc ocenia się tzw. współczynnikiem z, definiowanym jako stosunek względnych zmian prądu diody do wywołanych przez nie względnych zmian napięcia.

(4.15)

gdzie

Typowe krzemowe diody stabilizacyjne mają Z ≥ 100.

Wzrost napięcia wejściowego stabilizatora ponad wartość U_Z0 powoduje wzrost prądu diody przy niewielkim wzroście napięcia diody. Napięcie wyjściowe układu jest więc niewiele różne od wartości U_Z przy zmianie napięcia wejściowego od U_WEmin = U_Z0 do

U_WEmax ≈ U_Z0 + I_max (r_Z + R) (4.16)

Zmianę napięcia wyjściowego można dokładnie ustalić na podstawie charakterystyki statycznej I(U) diody. Jest ona jednak znana tylko ogólnie. Dla konkretnej diody znamy ją tylko w przybliżeniu, poprzez parametry U_Z i r_Z. W tym przybliżeniu, tzw. liniowym, tzn. zakładając, że w zakresie stabilizacji przebieg I(U) jest liniowy z nachyleniem
, obliczenia możemy przeprowadzać na podstawie układu zastępczego małosygnałowego, podanego na rys.4.8.c.

Ze schematu tego otrzymujemy

(4.17)

Dobierając więc odpowiednio dużą rezystancję R możemy zmniejszyć znacznie wahania napięcia wyjściowego w stosunku do wahań napięcia wejściowego, tj. ustabilizować napięcie wyjściowe.

4.4. Obwód rezonansowy przestrajany warikapem

Na rys.4.9. przedstawione są układy rezonansowe, których pojemność jest określona przez pojemność barierową diody pojemnościowej (pojedynczej - (a) i podwójnej - (b)).

Pojemność C₂ na rys.4.9a jest znacznie większa od pojemności diody, a więc przy szeregowym połączeniu pojemności o wartości wypadkowej decyduje dioda. w rezultacie dla obwodu (a) otrzymujemy częstotliwość rezonansową

(4.18)

W obwodzie (b) dwie szeregowo połączone diody dają pojemność wypadkową równą
, a więc otrzymujemy częstotliwość rezonansową

(4.19)

Zmianę pojemności diody uzyskuje się przez zmianę polaryzacji stałoprądowej diody. Do tego celu służy potecjometr P. Ustawiając suwak potencjometru (“strzałka”) w dolnym położeniu na diodę podaje się zerowe napięcie polaryzacji, co daje maksymalną pojemność diody i minimalną częstotliwość rezonansową. Ustawiając natomiast suwak potencjometru w górnym położeniu, wymuszamy na katodzie diody maksymalne napięcie, a ponieważ anoda diody (każdej z obwodu a i b) jest na stałym potencjale masy, bo na indukcyjności L nie może być spadku napięcia stałego, to uzyskujemy maksymalną polaryzację wsteczną diody, czemu odpowiada minimalna jej pojemność i maksymalna częstotliwość rezonansowa obwodu.

4.5. Diody optoelektroniczne, ogniwo fotowoltaiczne,
laser półprzewodnikowy

W tej grupie diod wyróżnia się fotodiody i diody elektroluminescencyjne.

Fotodioda, to dioda półprzewodnikowa przystosowana konstrukcyjnie do tego by promieniowanie świetlne (widzialne i podczerwone) mogło przenikać do kryształu półprzewodnikowego. Po prostu obudowa fotodiody ma okienko przezroczyste dla promieniowania świetlnego. Dzięki temu w półprzewodnikowym krysztale diody może zachodzić zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

Absorbowane przez kryształ półprzewodnikowy fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują generację dodatkowych nośników ładunku, co wywołuje pojawienie się tzw. prądu fotoelektrycznego w złączu diody. Prąd fotoelektryczny I_f ma zwrot zgodny z prądem wstecznym (I_S) diody. Jego wartość nie zależy od wysokości bariery złącza, jest natomiast wprost proporcjonalna do natężenia oświetlenia diody (J_f).

I_f ~ J_f (4.20)

Pojawienie się prądu fotoelektrycznego oznacza przesunięcie charakterystyki I(U) diody o wartość I_f, co ilustruje rys.4.10.

Charakterystyka I(U) fotodiody może być zapisana wzorem

I = I_S 
(4.21)

Przecina ona oś napięcia w punkcie U = U_f;

U_f = V_T ln
(4.22)

U_f - napięcie fotoelektryczne.

Powyższe oznacza, że jeżeli prąd zewnętrzny fotodiody (prąd całkowity) jest zerowy, to na fotodiodzie pojawia się siła elektromotoryczna U_f, zwana napięciem fotoelektrycznym. Biegun dodatni tego napięcia jest na anodzie, tj. dioda ma polaryzację przewodzenia o takiej wartości, że prąd przewodzenia kompensuje prąd fotoelektryczny.

Tak więc fotodioda stanowi ogniwo fotoelektryczne (fotowoltaiczne) o sile elektromotorycznej równej U_f.

Ogniwa fotoelektryczne znalazły szerokie zastosowanie do zasilania różnych urządzeń jako odtwarzalne źródła energii. Ich znaczenie będzie rosło wraz z wyczerpywaniem się surowców energetycznych i zwiększaniem rangi problemów ekologicznych. Już dzisiaj zespoły takich ogniw w postaci tzw. baterii słonecznych sa stosowane w wielu miejscach (satelity, gospodarstwa domowe,...).

Fotodiody wytwarzane specjalnie jako ogniwa fotoelektryczne mają zwykle dużą powierzchnię w celu umożliwienia poboru dużego prądu. Schemat budowy takiego ogniwa i jego charakterystykę elektryczną przedstawia rys.4.11.

Dioda elektroluminescencyjna jest urządzeniem wytwarzającym promienio­wanie świetlne (widzialne lub podczer­wone). Kolor emitowanego promienio­wania zależy od rodzaju półprzewodnika, z którego wykonana jest dioda (tab.4.1). Zjawisko elektroluminescencji, tj. promieniowania świetlnego o natęże­niu większym od promieniowania ciepl­nego danego ciała wywołanego energią elektryczną, zachodzi wystarczająco intensywnie tylko w złączach p-n niektó­rych półprzewodników. Nośniki ładunku przepływając przez obszar bariery w stanie przewodzenia złącza są akumulowane w pobliżu bariery, gdzie ze względu na jednoczesną obecność obu rodzajów nośników (elektronów i dziur) w zbiorach o dużej koncentracji zachodzi intensywna ich rekombinacja. W czasie aktu rekombinacji następuje zmniejszenie energii elektronu o porcję większą od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika (W_G).

Jeżeli zmiana taka występuje w jednej porcji, tj.zachodzi tzw. rekombinacja bezpośrednia, to w niektórych półprzewodnikach powstający przy tym nadmiar energii jest wydzielony w postaci kwantów promieniowania świetlnego. Obowiązuje przy tym zasada zachowania energii, która wyraża się wzorem

hν = ΔW ≥W_G (4.23)

gdzie: h - stała Plancka, ν - częstość fali, ΔW - zmniejszenie energii elektronu w czasie rekombinacji bezpośredniej, promienistej.

Uzyskujemy fale świetlne o długości

λ = 
(4.24)

gdzie: c - prędkość światła.

Fale o długości od 0,4 do 0,75 m dają światło widzialne o barwie zależnej od długości dominującego promieniowania. Fale dłuższe stanowią niewidzialne, lecz wykorzystywane w praktyce, światło podczerwone.

Tabela 4.1

Barwy świecenia diod elektroluminescencyjnych

Rodzaj półprzewodnika	Barwa
GaAs	podczerwień (λ ~ 0,9 m)
GaAs1-xPx	x=0,44 - czerwona x=0,55 - bursztynowa
GaP	zielona, żółta lub czerwona w zależności od rodzaju domieszek
GaN	niebieska

Szczególnym rodzajem diody elektroluminescencyjnej jest laser półprzewodnikowy. Różni się on tym od typowej diody elektroluminescencyjnej, że ma kryształ półprzewodnikowy bardzo starannie wykonany mechanicznie, z polerowanymi i dokładnie równoległymi ściankami bocznymi prostopadłymi do złącza p-n (rys.4.12). Ta niezwykle staranna, o najwyższej precyzji obróbka kryształu daje w efekcie rezonator optyczny dla wybranej fali świetlnej, która ulega wzmocnieniu rezonansowemu podobnie jak fala dźwiękowa w kunsztownie wykonanej piszczałce organowej.

Fala rezonansowa wyraźnie dominuje nad pozostałymi, wytwarzanymi w złączu i to tym mocniej im większy jest prąd przewodzenia diody, przy którym zachodzi proces przemiany energii elektrycznej w świetlną.

Dlatego w typowych warunkach pracy laserów półprzewodnikowych ich promieniowanie uznaje się za mono-chromatyczne, spójne czasowo i przestrzen-nie. Szerokość linii emisyjnych lasera jest najmniejsza wsród znanych źródeł światła. Rozbieżność wiązki laserowej jest również niezwykle małą - rzędu kilku mikroradianów. Możliwość bardzo ostrego ogniskowania jej pozwala koncentrować energię wiązki na znikomo małym obszarze i osiągać w tym obszarze olbrzymie gęstości mocy. Nie ma materiału, który nie wyparowałby z obszaru padania odpowiednio intensywnej wiązki lasera. Możliwe więc jest obrabianie laserem materiałów tak twardych jak diament. Można go również wykorzystać do precyzyjnego spawania na bardzo małych powierzchniach.

Laser półprzewodnikowy może pracować w sposób zarówno impulsowy jak i ciągły. Przy pracy ciągłej lasery półprzewodnikowe z klasycznym złączem p-n wymagają chłodzenia. Pracę ciągłą w temperaturze pokojowej bez specjalnego chłodzenia umożliwiają lasery heterozłączowe, np. ze złączem p-n z GaAs - AlGaAs.

Przy pracy ciągłej lasery półprzewodnikowe mogą dostarczać moc promieniowania rzędu kilku W, co w przeliczeniu na jednostkę objętości lasera wielokrotnie przewyższa moc emitowaną przez najlepsze lasery innych typów. Do poważnych zalet laserów półprzewodnikowych należy zaliczyć również małe wymiary, dużą sprawność energetyczną i łatwość modulacji emitowanego promieniowania oraz prostotę konstrukcji i niezawodność.

Wszystkim tym zaletom laser półprzewodnikowy zawdzięcza szerokie zastosowanie w elektronice powszechnego użytku, telekomunikacji światłowodowej, metrologii i liczne zastosowania niemal w każdej dziedzinie techniki i medycynie.

Zastosowania diod elektroluminescencyjnych są mniej spektakularne. Ich najszersze zastosowania to: różnego rodzaju wskaźniki stanu, wskaźniki -numeryczne prezentujące cyfry i litery oraz ich zespoły, w tym mozaiki do wyświetlania komunikatów, nadajniki sygnałów w transmisji światłowodowej w automatyce oraz w transoptorach.

Transoptory - to przyrządy półprzewodnikowe powstałe przez połączenie diody elektroluminescencyjnej, jako nadajnika sygnału, i fotodetektora, jako odbiornika sygnału. Fotodetektorami stosowanymi w transoptorach są: fotorezystory, fotodiody, fototranzystory lub fototyrystory.

Transoptory stosuje się w celu elektrycznego odizolowania obiektu sterowanego od sterującego, np. w aparaturze medycznej, do sprzęgania układów znajdujących się na różnych potencjałach itp.

Zasadniczym polem zastosowań fotodiod natomiast są różnego rodzaju detektory promieniowania (rys.4.13).

Podstawowy układ takiego detektora składa się z fotodiody połączonej szeregowo z rezystorem R_L i źródłem napięcia E. Dioda w tym układzie jest polaryzowana wstecznie, w związku z tym, przy braku oświetlenia przewodzi bardzo mały prad wsteczny, a na rezystancji R_L napięcie jest bliskie zeru. Po oświetleniu diody pojawia się prąd fotoelektryczny I_f i na rezystorze R_L odkłada się napięcie:

U_WY ≈ I_f R_L (4.25)

Jeżeli dioda ma czułość prądową na światło równą S_E = 2·10^-5 mA/lx, a R_L = 10 kΩ, to przy typowym oświetleniu słonecznym, latem w południe: E = 10⁵lx, otrzymamy napięcie wyjściowe

U_WY ≈ S_E E R_L (4.26)

gdzie: U_WY ≈ 2·10^-5·10^-3·10⁵·10·10³ = 20 V

Przy tym napięcie zasilania E musi być większe od 20 V.

Drugim szerokim polem zastosowań fotodiod jest wykorzystanie ich jako ogniwa fotowoltaiczne. Do tego zastosowania, jak już było wskazane, wykorzystuje się specjalne wykonanie fotodiod: duże powierzchnie, podłoże-szkło sodowe, itd.

^* Dioda Zenera to popularna nazwa wszystkich diod stabilizacyjnych pracujących w zakresie przebicia.

^* ppm/K≡10^-6/K; ppm - część na milion (ang. part per million)

72

1

Rys.4.1. Charakterystyka statyczna I(U) oraz symbol ogólny diody (a)
wraz z oznaczeniami kierunku prądu I i biegunowości napięcia U

Rys.4.5. Układ elementarnego prostownika jednopołówkowego z obciążeniem rezystancyjnym (R) oraz przebiegi napięć i prądów w układzie.

Rys.4.6. Diodowy detektor szczytowy

Rys.4.3. Statyczna charakterystyka prądowo-napięciowa idealnej diody p-n
wg wzoru (4.1)

Rys.4.2. Struktura półprzewodnikowa diody p-n (a) i rozkład potencjału elektrycznego
w tej strukturze (b) przy różnych napięciach polaryzacji U;

A - anoda diody, K - katoda diody.

Rys.4.7. Charakterystyka statyczna I(U) diody Zenera

Rys.4.8. Schemat stabilizatora napięcia na diodzie Zenera (a), jego charakterystyka przejściowa (b) i schemat zastępczy (c) do obliczania zmian napięcia wyjściowego.

Rys.4.9. Obwód rezonansowy przestrajany diodą pojemnościową

Rys.4.4. Zależność napięciowa pojemności barierowej złącza

Rys.4.10. Charakterystyki I(U) fotodiody

Rys.4.11. Schemat budowy krzemowego ogniwa fotoelektrycznego (a)

i jego charakterystyka elektryczna (b)
oraz symbol fotodiody
i równowazne jej źródło (c)

Rys.4.12. Laser półprzewodnikowy

Rys.4.13. Układ detektora promieniowania

---