Suprasti elgesį diodai ir LED reikia žinoti, kaip elektrinės poliarizacijos sąlygos veikia jų veikimą. Tiesioginė ir atvirkštinė poliarizacija yra pagrindiniai principai, nulemiantys, ar šie puslaidininkių šviesą spinduliuojantys prietaisai praleidžia elektros srovę, skleidžia šviesą ar stabdo srovės tekėjimą. Taikytos įtampos ir prietaiso elgesio ryšys yra būtinas kiekvienam, kuris projektuoja grandines, parenka komponentus arba trikčių šalinimo elektrinėse sistemose. Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip šios poliarizacijos sąlygos veikia diodų funkcionalumą, šviesos išvestį ir visos sistemos našumą.
Fizikiniai tiesioginės ir atvirkštinės įtampų poliarizacijos reiškiniai vyksta puslaidininkių medžiagų sandūroje dioduose ir šviesą spinduliuojančiuose prietaisuose. Kai p-pusėje taikoma teigiama įtampa, o n-pusėje – neigiama įtampa, susidaro tiesioginė poliarizacija, leidžianti srovei tekėti ir padedant išryškinti LED veiksmingumą bei našumo charakteristikas. Atvirkščiai, atvirkštinės poliarizacijos metu p-pusėje taikoma neigiama įtampa, o n-pusėje – teigiama įtampa, kas riboja srovės tekėjimą ir sukuria išsekimo sritį. Šių mechanizmų supratimas padeda optimizuoti puslaidininkių šviesą spinduliuojančius prietaisus konkrečioms programoms ir maksimaliai padidinti jų patikimumą grandinėse.
Tiesioginės poliarizacijos mechanizmas ir srovės tekėjimas
Kaip tiesioginė poliarizacija leidžia laidumą
Tiesioginė poliarizacija dioduose ir šviesos dioduose įvyksta tada, kai pritaikyta įtampa sumažina potencialo barjerą jungtyje. Teigiamasis polius prijungiamas prie p tipo medžiagos, o neigiamasis – prie n tipo medžiagos, kuriant sąlygas, kad elektronai ir skylės judėtų link jungties ir rekombinuotųsi. Ši rekombinacija išskleidžia energiją šilumos ar šviesos pavidalu, priklausomai nuo puslaidininkinės medžiagos ir įrenginio tipo. Šviesą skleidžiančiuose puslaidininkiniuose įrenginiuose ši energijos išsiskyrimo forma yra matoma šviesa, todėl tiesioginė poliarizacija yra LED ir kitų šviesos šaltinių veikimo sąlyga.
Šviesos emisija ir energijos išsiskyrimas
Kai rekombinuojant krūvio nešėjus jungtyje, jie pereina į žemesnius energijos lygius ir skleidžia fotonus. Išspinduliuotos šviesos bangos ilgis ir spalva priklauso nuo puslaidininkio juostos plotos energijos ir medžiagos sudėties. Skirtingos medžiagos sukuria skirtingas spalvas: galio arsenidas sukuria infraraudonąją šviesą, galio nitridas – mėlyną ir ultravioletinę šviesą, o aliuminio indžio fosfidą – raudoną ir gintarinę šviesą. Šių puslaidininkių šviesos šaltinių LED naudingumo koeficientas ir veikimo charakteristikos žymiai pagerėja, kai tiesioginės poliarizacijos įtampa optimizuota konkrečiai medžiagai, užtikrinant maksimalų fotonų kiekį, tenkančią įvesties srovei.
Atvirkštinės poliarizacijos ir blokavimo charakteristikos
Atvirkštinės poliarizacijos įtampos taikymas
Atvirkštinė poliarizacija sukuria sąlygas, kai potencialo barjeras diodų sandūroje žymiai padidėja. Neigiamas įtampa prijungiama p-pusėje, o teigiama – n-pusėje, dėl ko krūvio nešėjai nutolsta nuo sandūros ir išsiplečia išsekimo sritis. Ši konfigūracija užkerta kelią įprastam srovės tekėjimui per įprastinius diodus ir LED, todėl įrenginys veikia kaip izoliatorius. Atvirkštinės poliarizacijos būsena yra esminė fotodiodų taikymuose, kai kaip jutikliai suprojektuoti diodai ir LED turi būti laikomi atvirkštinėje poliarizacijoje, kad galėtų aptikti įeinančius fotonus ir generuoti matuojamus srovės signalus.
Prapūtimas ir Zenerio veikimas
Esant pakankamai didelėms atvirkštinėms įtampoms, elektrinis laukas tampa pakankamai stiprus, kad sukeltų smūginę jonizaciją – kai krūvio nešėjai įgyja pakankamai energijos, kad išlaisvintų papildomus nešėjus ir sukurtų grandininį efektą. Šis pramušimo procesas gali būti žalingas įprastuose dioduose, tačiau Zener dioduose jis specialiai suprojektuojamas tam, kad užtikrintų įtampos stabilizavimą. Fotodiodų taikymuose naudojama atvirkštinė įtampa, kad būtų sukurta plačia deplecijos sritis, padidinanti šviesos aptikimo tūrį ir pagerinanti jautrumą įeinantiems fotonams. Suprantant pramušimo įtampas ir jų technines charakteristikas, galima apsaugoti grandines ir išvengti puslaidininkių šviesos spinduliuojančių prietaisų bei fotodiodų pažeidimų.
Praktinis poveikis veikimui ir pasirinkimui
LED naudingumo optimizavimas
Šviesos šaltinių LED našumas ir veikla kritiškai priklauso nuo tiesiosios įtakos optimizavimo saugių veikimo ribų viduje. Per didelė tiesioji įtampa sukelia padidėjusį šilumos išsiskyrimą ir sumažina fotonų išvestį vienetiniam įeinančiam srovei, sutrumpindama įrenginio tarnavimo laiką ir mažindama bendrą našumą. Tinkamas srovės apribojimas naudojant rezistorius arba srovės šaltinius palaiko tiesiąją įtaką optimalioje srityje, kur šviesos išvestis lieka aukšta, o šiluminis krūvis – valdomas. Aukštos kokybės puslaidininkių šviesos spinduliuojantys įrenginiai yra įvertinti tam tikroms tiesiosios įtampos ir srovės kombinacijoms, kurios maksimaliai padidina LED našumą ir veiklą, tuo pat metu užtikrindamos ilgą veikimą praktinėse aplikacijose.
Fotodiodo jutiklio svarstymai
Fotodiodų taikymui reikia atidžiai valdyti atvirkštinę įtampą, kad būtų pasiektas norimas jautrumo ir triukšmo savybių balansas. Didėjant atvirkštinei įtampai, išsiplėčia išsėmimo sritis ir pagerėja krūvio rinkimo efektyvumas, tačiau tuo pačiu didėja tamsos srovė ir šiluminis triukšmas. Optimalus fotodiodų veikimas pasiekiamas esant gamintojo nurodytoms atvirkštinėms įtampoms, kurios priklauso nuo konkrečių šviesos aptikimo užduočių. Šviesos jutikliais skirti puslaidininkių šviesos spinduliuojantys įrenginiai turi būti tinkamai įtempti projektuojant grandines, kad būtų užtikrintas tikslus fotodiodų taikymas šviesos matavimuose, optinėje ryšių sistemoje ir vaizdavimo sistemose.
DUK
Koks yra skirtumas tarp pirmosios ir atvirkštinės įtampos dioduose bei LED?
Tiesioginė poliarizacija taiko teigiamą įtampą p-sluoksniui ir neigiamą – n-sluoksniui, sumažindama sandūros barjerą ir leisdama srovei tekėti bei šviesti. Atvirkštinė poliarizacija taiko neigiamą įtampą p-sluoksniui ir teigiamą – n-sluoksniui, išplėsdama išsekimo sritį ir užkliudydama įprastą srovės tekėjimą. Tiesioginė poliarizacija yra LED veikimo sąlyga, kai gaunamas šviesos išvestis, o atvirkštinė poliarizacija naudojama fotodiodų aplikacijose ir įtampų reguliavimo grandinėse.
Kaip tiesioginė poliarizacija veikia LED efektyvumą ir našumą?
Tinkama tiesioginės poliarizacijos įtampa maksimaliai padidina krūvio nešėjų rekombinaciją šviesą skleidžiančiuose puslaidininkių prietaisuose, kuriant maksimalų fotonų išvestį santykiu prie įvesties srovės. Per didelė tiesioginė poliarizacija padidina šilumos gamybą ir sumažina LED efektyvumą bei našumą dėl šiluminių nuostolių. Gamintojo nurodyta optimali tiesioginės poliarizacijos įtampa diodams ir LED užtikrina efektyvią šviesos gamybą ir ilgą prietaiso tarnavimo laiką praktinėse aplikacijose.
Kodėl fotodiodų taikymai priklauso nuo atvirkštinės įtampos sąlygų?
Atvirkštinė įtampa fotodiodų taikymuose sukuria platų išsekimo regioną, kuris padidina jautrumą įeinantiems fotonams ir pagerina krūvio rinkimo efektyvumą. Platus išsekimo plotis leidžia daugiau fotonų generuoti elektronų-skylučių poras, tuo būdu maksimaliai padidinant matuojamą srovės signalą. Tinkama atvirkštinė įtampa, nurodyta fotodiodų taikymams, užtikrina optimalų jautrumą ir triukšmo charakteristikas šviesos aptikimui jutikliuose ir optinėse ryšių sistemose.
EN
