Светодиоды

Переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону сопровождаются выделением энергии Е_g = hν (Е_{g –} ширина запрещенной зоны). У многих полупроводников такой процесс рекомбинации электронно-дырочных пар носит преимущественно безызлучательный характер: выделяющаяся энергия отдается решетке и в конечном счете превращается в тепло. Однако у некоторых полупроводников рекомбинация может быть в значительной мере излучательной, когда энергия при рекомбинации выделяется в форме квантов света – фотонов.

В условиях теплового равновесия число актов излучательной рекомбинации равно числу актов поглощения квантов света равновесного теплового излучения. Поэтому полупроводник излучает ровно столько света (и на тех же частотах), сколько поглощает из окружающего пространства.

Для того чтобы излучение преобладало над поглощением, необходимо создать избыточную (над равновесной) концентрацию электронно-дырочных пар. Наиболее просто это можно сделать, используя явление инжекции носителей через р-n -переход при пропускании через него прямого тока. Концентрация неосновных носителей у границ р-n -перехода при этом резко повышается и становится значительно выше равновесной. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные носители, и их концентрация у границ перехода становится также выше равновесной.

Диффундируя в глубь полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на расстояние диффузионной длины от слоя объемного заряда р-n -перехода. Если при этом существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света, то, создав условия для выхода этого света наружу, полупроводниковый диод можно использовать как источник излучения. Такой диод называют светодиодом. Светодиоды в электронной технике часто используются в качестве малогабаритных световых индикаторов. Выбирая для светодиодов полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, можно получать различный цвет свечения диода.

Оптопары (оптронные пары)

Если в одном блоке конструктивно объединить светодиод и фотоприемник, то полученный прибор принято называть оптопарой. На рис.2 схематически представлена оптопара.

После подачи на световой диод оптопары импульса напряжения, диод даст световую вспышку, что приведет к изменению проводимости фотоприемника (фотосопротивления). Если через фотосопротивление при этом протекает электрический ток, то изменение тока будет таким, как показано на рис.3.

Если за время t фототок уменьшился на k%, то величина фототока в этот момент будет I = (1-k) I₀, тогда I₀ / (1-k) I₀ = I₀ / I₀e^–t/τ .

Откуда 1/(1-k)=e^t/τ , следовательно:

(1)

Формула (1) дает возможность определить время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводнике, из которого изготовлено фотосопротивление приемника оптопары. Грубая оценка τ может быть сделана, согласно рис.3, экстраполяцией начальных участков экспонент.