Источники излучения оптоэлектроники

Приборы, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в световую, относятся к излучающим. К оптическому диапазону спектра в общем случае относятся электромагнитные волны, длина которых составляет от 1 до 10⁶ нм. Реально в оптоэлектронике используется обычно более узкий диапазон длин волн, включающий видимую и ближние инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра. Рассмотрим основные типы излучающих твердотельных приборов.

Физические основы взаимодействия излучения с веществом

Существует три возможных процесса взаимодействия квантовых систем и электромагнитного излучения (спонтанное излечение кванта, поглощение и вынужденное излечение кванта),, которые схематически показаны на рис. 17.

Рисунок 17. Квантовые переходы при взаимодействии с фотоном: а) – спонтанный переход с испусканием фотона; б) – вынужденный переход с поглощением фотона; в) – вынужеденный переход с испусканием фотона.

Рассмотрим переходы частицы из одного состояния в другое с выделением или поглощением энергии электромагнитного поля. Возбужденная частица в произвольный момент времени может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние, излучив при этом квант света. Такое излучение называется спонтанным.

Другим оптическим процессом является поглощение излучения частицей, переходящей в результате этого в возбужденное состояние.

При взаимодействии возбужденной частицы с фотоном возможен переход частицы в состояние с меньшей энергией - при этом излучается дополнительный фотон. Этот процесс носит название вынужденного или стимулированного излучения.

 

Светодиоды

Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р- переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р- переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние. Последние могут быть прямыми (без изменения импульса) и непрямыми (с изменением импульса). Межзонные и энергетические переходы из зоны проводимости в заполненную зону дают эффективное излучение, если переходы прямые. При непрямых переходах излучательная рекомбинация может эффективно осуществляться через примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя на примесном центре, а затем его рекомбинация со свободным носителем другого знака.

Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной полосы полупроводника, поэтому для получения излучения в видимой области используются широкозонные полупроводники. К ним относятся арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, многокомпонентные полупроводниковые соединения, например GaAlAs и другие.

Основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена. Мощность оптического излучения светодиода может быть найдена из уравнения:

,

где Р - излучаемая мощность, I/e - поток инжектированных носителей через переход, η _e - КПД вывода излучения, η _s - КПД светового излучения. Произведение η _e η _s представляет собой внешнюю квантовую эффективность. Для светодиодов с поверхностными излучателями она составляет около 3%, а для приборов с торцевыми излучателями 0,5-1%.

Наибольшие сложности возникают при получении коротковолнового излучения из-за технологических проблем создания n-р- переходов в соответствующих полупроводниках. Поэтому излучатели с синим цветом свечения часто выполняются в виде МДП-структур на основе нитрида галлия, карбида кремния, сульфидов и селенидов цинка и кадмия. Некоторые данные по внешней эффективности светодиодов на различных материалах сведены в таблице 4.

Одним из способов получения коротковолнового излучения может быть включение диода Шотки в обратном направлении. В начальном участке лавинного пробоя происходит ударная ионизация с образованием электронов и дырок, рекомбинация которых может давать излучение в синей области спектра.

 

Таблица 4. Материалы и параметры светодиодов Материал Примесь или состав Цвет свечения Максимум, нм hвн GaAs Si ИК   12 -50 GaAs Zn ИК   12 -50 GaP ZnO красный     GaP N зеленый   0.7 GaAs1-ХРx x = 0.39 красный   0.5 GaAs1-ХРx x = 0.5 - 0.75 янтарный   0.04 Ga1-ХAlxAs x = 0.05 - 0.1 ИК     Ga1-ХAlxAs x = 0.3 красный   1.3 In1-ХGaxР x = 0.58 красный   0.2     янтарный   0.1 In1-ХGaxР x = 0.6 желто-     GaN   зеленый синий   0.03

 

Создание эффективного светодиода для синей области позволяет получать любые цвета излучения путем нанесения на поверхность соответствующих люминофоров. Коротковолновое излучение может быть получено и при использовании антистоксовых люминофоров, хотя КПД преобразования длинноволнового излучения в коротковолновое мал (порядка 1%), а прибор имеет низкое быстродействие. Весьма важным является вопрос создания излучателей для области 1,1 - 1,3 мкм. Дело в том, что именно при длине волны 1,3 мкм имеют место минимальные потери в световодах.

Основные характеристики светодиодов – вольтамперные, яркостные и спектральные.

ВАХ светодиодов аналогичны ВАХ обычных диодов. Яркостные (рис.18а) характеризуются некоторым пороговым током и участком насыщения при больших токах из-за усиления вклада безизлучательной рекомбинации.

Спектральные характеристики (рис. 18б) имеют максимум, положение и ширина которого зависят от состава и энергетической структуры материала.

Рисунок 18. Спектральные (а) и световая (б) характеристики светодиодов.

 

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения. Ширина спектральной полосы излучения светодиода может быть найдена из уравнения:

Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах оптоэлектроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание 1. Снятие ВАХ светодиода.

1) Соберите схему согласно рис. 1. (Для этого задания достаточно лишь левой части схемы, G4-R15-R5-mA-V1-VD1).

Прежде чем подавать питание (тумблер «Сеть» на стенде), пригласите преподавателя для проверки правильности собранной схемы.

 

Рисунок 1. Принципиальная схема установки для изучения оптопары.

2) Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение на светодиоде VD1, снимите его вольтамперную характеристику (ВАХ).

Для этого определите диапазон изменения силы тока (т.е. самое малое измеряемое значение силы тока и самое большое её значение). И далее, разделив полученный диапазон на примерно равные промежутки, запишите не менее 10 пар значений тока, выдаваемых миллиамперметром, и соответствующих напряжений, выдаваемых вольтметром V1. Постарайтесь покрыть измерениями весь доступный диапазон.

Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

V, В
I, мА

 

3) Постройте ВАХ светодиода в виде графика. По оси абсцисс (аргумент, x) откладывайте напряжение, по оси ординат (функция, y) – силу тока.

 

Задание 2. Снятие зависимости тока фотодиода (фототока) от тока светодиода (т.е. от освещённости фототодиода).

1) Соберите схему, представленную на рис. 1 полностью.

2) Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение (V1) и силу тока (mA) на светодиоде VD1, снимите зависимость силы фототока () светодиода VD2. Запишите не менее 10 пар значений тока, выдаваемых миллиамперметром (mA), и соответствующих величин сил тока, выдаваемых микроамперметром (). С выбором интервала проводимых измерений определитесь аналогично первому заданию.

Результаты измерений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

, mA

 

3) Полученную зависимость отобразите графически. По оси абсцисс (аргумент) откладывайте силу тока светодиода, по оси ординат (функция) – силу тока фотодиода.

 

Задание 3. Снятие зависимости сопротивления p-n перехода фотодиода от тока светодиода оптопары.

1) Соберите (если разобрали) схему согласно рис. 1.

2) Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение (V1) и силу тока (mA) на светодиоде VD1, снимите зависимость сопротивления (R) p-n перехода VD2. Используйте выданный преподавателем омметр либо мультиметр. Запишите не менее 10 пар значений тока, выдаваемых миллиамперметром (mA), и соответствующих значений сопротивления, измеряемого при помощи омметра (R). С выбором интервала проводимых измерений определитесь аналогично первому заданию.

Результаты измерений занесите в таблицу 3.

 

Таблица 3.

, mA

 

Задание 4. Определение зависимости вида ВАХ полупроводникового диода от температуры p-n перехода.

1) Соберите схему согласно рис. 2. Прежде чем подключать схему к цепям питания (тумблер «Сеть» на стенде), пригласите преподавателя для проверки правильности собранной схемы.

Рисунок 2. Принципиальная схема установки для снятия ВАХ p-n перехода от температуры.

 

2) Диод VD в данном задании расположен на корпусе вакуумного триода VL (см. рис. 2). Изменяя силу тока накала при помощи потенциометра R14, мы тем самым изменяем (с некоторым запаздыванием по времени) и температуру корпуса лампы и, соответственно, температуру полупроводникового диода.

 

2.1 Снятие ВАХ диода при комнатной температуре, прямое включение.

 

Соберите схему, изображённую на Рисунке 2, без вакуумной лампы. Изменяя при помощи потенциометра R15 напряжение на диоде VD, снимите не менее 10 пар значений напряжений и сил тока диода. С выбором интервала проводимых измерений определитесь аналогично первому заданию. Заполните измерениями таблицу 4.

Таблица 4. ВАХ диода при комнатной температуре при прямом включении.

, мA