Материал: Конспект

2 – оптичного діапазону;

3 – діод з яскравістю свічення менше 500 Кд/м²;

4 – з яскравістю, більшою 500 Кд/м².

Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів.

• Основний фізичний процес, що забезпечує роботу світлодіодів – це випроміню­вальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнені – переходу. Ця рекомбі­нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготов­лення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад, сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі U>U_пор, де U_пор  U_К (порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів). Будова світлодіоду показана на рис. 1. Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 2).

Будова світлодіода

1 - металеві контакти;

2 - n-область; 3 – світло-випромінюючий р-n-перехід; 4 - р-область;

5 - світловий потік

Яскравостна характеристика світлодіода

• Колір свічення світлодіоду залежить від матеріалу з якого він виготовлений (ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони матеріалу, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання. Так, двокомпонентні напівпровідникові матеріали GaAs і GaP дають червоне свічення, карбід кремнію SiC – червоно-помаранчове або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення. Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 1), які мають два – переходи, утворені різними vматеріалами (легуючими домішками). Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншим – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати інтенсивність кожного з кольорів, а отже і сумарний колір свічення.

• Світлодіоди широко використовуються ї в різноманітних електронних пристроях. Перевагою інжекційних світлодіодів є – яскраве і чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.

• Крім точкових світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висвічуваних елементів: семисегментну та матричну (рис.2). Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (75+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

Структура світлодіода з кольором свічення, що перелаштовується

Параметри світлодіодів

• Світлодіод - низьковольтний прилад. Звичайний світлодіоди, що застосовуються для індикації, споживають від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіоди, які використовуються для освітлення, споживають таку ж напругу, але струм є вищим - від декількох сотень мА до 1 А. В світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В). При підключенні світлодіода необхідно дотримуватись полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і звичайно становить більше 5 В для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існують світлодіоди різних конструкцій, що випромінюють в тілесному вуглі від 4⁰-140⁰. Колір, світла, що випромінюється, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання. Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетингової характеристикою виявляється ціна одного люмена.

• В робочих режимах струм світлодіода експоненціально залежить від напруги і незначні зміни напруги приводять до великих змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний струму, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може привести до його прискореного старіння. Саме тому послідовно з світлодіодом включають конвертор (driver). Для світлодіода він те саме, що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

ВАХ світлодіода

Напівпровідникові лазери

• Напівпровідниковий лазер - твердотільний лазер, в якому як робоча речовина використовується напівпровідник. У такому лазері, на відміну від лазерів інших типів, використовуються випромінювальні переходи не між ізольованими рівнями енергії атомів, молекул і іонів, а між дозволеними енергетичними зонами або подзонами кристала. В напівпровідниковому лазері накачування здійснюється:

• безпосередньо електричним струмом (пряме накачування);

• електронним пучком;

• електромагнітним випромінюванням.

Оскільки в напівпровідниковому лазері збуджуються і випромінюють колективно атоми, що складають кристалічну гратку, сам лазер може мати дуже малі розміри.

• Іншими особливостями напівпровідникових лазерів є високий ККД, мала інерційність, простота конструкції. Типовим представником напівпровідникових лазерів є лазерний діод - лазер, в якому робочої областю є напівпровідниковий p-n перехід. У такому лазері випромінювання відбувається за рахунок рекомбінації електронів і дірок інжектованих в область p-n-переходу. Для отримання лазерного випромінювання також використовують структури з квантовими ямами.

Cхема виникнення випромінювання при міжзонних переходах у напівпровіднику (а), у квантових ямах (б)

• У лазері на діоді напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної пластинки. Така пластинка по суті є оптичним хвилеводом, де випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті утворюється плоский p-n перехід великої площі. Дві бокові сторони (торці) кристала поліруються для створення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, названий резонатором Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, що випромінюється перпендикулярно цим площинам, проходить через оптичний хвилевід і кілька разів відбивається від торців, перш ніж вийде назовні. Проходячи вздовж резонатора, він буде викликати вимушену рекомбінацію, створюючи нові і нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Як тільки посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація. Це відповідає пороговому струму інжекції. Одномодові лазери застосовуються в оптичних запам'ятовуючих пристроях, лазерними вказівками, а також в волоконної техніці.

Конструкція інжекційного напівпровідникового лазера (а) та лазера на квантових ямах (б)

• Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини робочі шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному до них. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим. Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкуючі устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів.

• Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

• У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході діода, внаслідок дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати лінзи, що фокусують. Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Багатомодові лазерні діоди можуть мати вихідну оптичну потужність в безперервному режимі від 500 мВт до 8 Вт, а квазінеперервні лазерні лінійки - до 150 Вт.

Вигляд типового твердотільного лазера та лазерної указки