Розподіл променистого потоку по спектру

Вступ

Сучасне оптико – електронне приладобудування неможливо уявити без високоякісних джерел та приймачів оптичного випромінювання, що його реєструють. Тобто оптико – електронний прилад є синтезом досягнень в галузі точної механіки, оптики, технології оптичних матеріалів, вичислювальної техніки джерел та приймачів. Тому оптимізація роботи оптико – електронних систем повинна опиратись на знаннях та інформації про їх характеристики параметрів та принцип дії. Мета курсу полягає в ознайомленні студентів із основними характеристиками та параметрами сучасних приймачів. Нагадаємо, що оптичний діапазон займає дуже широку ділянку електричного випромінювання. У коротко хвильовій області вона межує із рентгенівським випромінюванням (вакуумний ультрафіолет із довжиною хвилі l~1500 – 2000 А°), а у довгохвильовій області межує із субміліметровим радіодіапазоном (l~0,1 – 1 мм). Видима область, яка визначається кривою видимості ока займає дуже малий спектральний інтервал, порівняно із вище згаданим оптичним діапазоном. Слід відмітити, що для оптичного діапазону характером є те, що джерела, які використовуються для реєстрації електро – магнітних хвиль, є квадратичними відносно напруженості електричної складової хвилі. Інтенсивність, яку вимірюють приймачі оптичного випромінювання, являє собою усереднене значення модуля квадрата амплітуди електромагнітної хвилі на протязі інтервалу часу значно більшого ніж період коливань монохроматичної електромагнітної хвилі. Дана особливість є принциповою відмінністю роботи приймачів оптичного діапазону від приймачів радіодіапазону, які фіксують зміну електричної чи магнітної хвилі у реальному часі.

Оскільки оптичний діапазон займає дуже широкий спектральний інтервал, та його не можливо зафіксувати одним типом приймачів чи імітувати одним типом джерела. Тому для розробки високочутливих оптико – електричних систем, оптимізації їх роботи отримання знань про будову, властивості, характеристики та параметри приймачів та джерел є актуальною задачею.

 

Частина 1: Джерела випромінювання.

Глава 1: Джерела некогерентного випромінювання.

Різноманітні джерела некогерентного оптичного випромінювання можна розділити на такі групи:

- Теплові,

- Газорозрядні,

- Люмінесцентні,

- світло діоди,

- штучні та природні об’єкти.

Для теплових джерел характерним є те, що потік випромінювання та його спектральний склад визначається виключно температурою та розмірами випромінюючого тіла. Світлове випромінювання обумовлено спонтанними переходами із більш високих енергетичних рівнів на більш низькі. Для ІЧ області характерним є наявність коливальних та обертальних рухів атомів, молекул певної речовини.

Для газорозрядних джерел характерним є збудження оптичного випромінювання за рахунок електричного розряду.

Для люмінесцентного випромінювання характерним є наявність спонтанних переходів при певному типі збудження. Найбільш розповсюдженим є збудження спектра електромагнітним полем (тобто самим оптичним випромінюванням). Спектральний склад люмінесцентного випромінювання істотно вужче ніж теплове.

Світло діоди або напівпровідникові світло діоди працюють за рахунок явищ, які відбуваються у p – n переходах при пропусканні крізь них електричного струму.

Тема 1: Теплове випромінювання, його основні закони.

Тепловим (температурним) випромінюванням називають електромагнітне випромінювання, яке створюються нагрітими тілами, речовиною яка знаходиться в стані термодинамічної рівноваги і характеризується певною температурою. Теплове випромінювання наявне для всяких тіл, температура яких більше нуля Кº. Поняття випромінювання має подвійне значення. По перше під випромінюванням розуміють процес випромінювання електромагнітної енергії тіла в оточуючий простір. По друге, поняття випромінювання пов’язують із самим процесом, тобто хвилею певної довжини та фази, а з корпускулярної точки зору із фотонами певної енергії.

Електромагнітне випромінювання характеризується певною енергією електромагнітного поля, що міститься в одиниці об’єму випромінюючого середовища (об’ємна густина енергії):

,

де U — об‘ємна густина енергії; E, H — значення напруженості електричної та магнітної складових поля; , — відповідні значення діалектичних пронизливостей середовища (Система СІ).

На практиці випромінююче середовище характеризують частіше величиною потужності. Р, що вимірюється в СІ в ватах або ергах.

Розглядаючи середовище, як джерело випромінювання, доцільно ввести поняття світності та яскравості. Світністю R називають потік dP, що випромінюється одиницею поверхні тіла dS у напівпростір.

R=dP/dS (1),

де R в СІ вимірюється в вт/м² , в системі СГС — ерг/см² с.

Потік випромінювання dP, що випромінюється площадкою dS в межах тілесного кута d ω і в напрямку, що складає із нормаллю до dS кут θ в тілесному куті dω визначається так:

dP=BdScosθdω (2)

Коефіцієнт В в витязі (2) називають яскравістю. Енергетичні одиниці яскравості вт/стер м² , ерг/с стер см² . В одиничній області спектра випромінювання із точки зору сприйняття людським оком характеризується світлотехнічними одиницями. Так на довжині хвилі λ=555нм потужність в 1 Вт відповідає світовому потоку в 680 лм. Для довільної довжини хвилі потужність Р_Δλ(λ) і потік F_Δλ (λ) пов’язані співвідношенням:

F_Δλ (λ)=680 S(λ) Р_Δλ(λ) (3)

Де S(λ) – функція видності ока

рис.1 функція видності ока

Коли яскравість об’єкта не залежить від кута спостереження, то такі об’єкти називаються косинусними або ламбертівськими випромінюваннями. Косинусні властивості має чорне тіло, шорські поверхні, ряд світло розсіюючи матеріалів. Потік dP для косинусного випромінювання визначається так:

, (4)

Порівнюючи (1) і (4) маємо:

, (5)

Введені характеристики є інтегральними. В певних спектральних шкалах вони будуть визначатися відповідними спектральними густинами:

, , ,

, (6)

Спектральна яскравість є найбільш розповсюдженою характеристикою. Яскравість і об’ємна густина енергії для ізотропного випромінюючого середовища пов’язані таким співвідношенням:

,

, (7)

C – швидкість світла.

Кожне тіло характеризується певним значенням поглинаючої здібності, що дорівнює:

, (8)

В умовах термодинамічної рівноваги коли нагріті тіла обмінюються енергією за рахунок випромінювання та її поглинання, втрати енергії за рахунок випромінювання компенсуються прибутком за рахунок поглинання. Величини і А пов’язані між собою певним співвідношенням, вперше визначене Кіргофом. Відношення для довільного тіла є постійна величина. Тобто

, (9)

Оскільки (9) повинно виконуватися і для А = 1 (чорне тіло), то

, ,(10)

де - спектральна густина яскравості чорного тіла.

Оскільки стан термодинамічної рівноваги характеризується температурою Т, то закони Кіргофа в загальному вигляді записуються так:

, (11)

Чорне тіло – це тіло із А (ν, Т) = 1.

Є два підходи до створення чорного тіла:

- порожнина із малим отвором,

- порожнина із малим коефіцієнтом відбивання.

Вперше значення спектральної густини яскравості для чорного тіла було отримано Планком (початок 1900 р.) при використанні корпускулярного механізму випромінювання (гіпотеза квантів Е = hν). До Планка були спроби отримати значення на основі рівнянь термодинаміки та класичної фізики (формули Релея – Джинса, формула Віна). Але вони не змогли описати поведінку випромінювання тілами у широкому інтервалі спектра. Згідно формули Планка спектральна густина об’ємної енергії порожнини навколо частоти ν в спектральному інтервалі dν визначається так:

(12)

Для спектральної густини яскравості маємо відповідно:

, (13)

В шкалі довжини хвиль:

(14)

(15)

h = 6,6256 Дж/с (Вт ) – постійна Планка,

r = 1,38054 Дж/К – постійна Больцмана,

с = 2,998 м/с – швидкість світла,

Т – абсолютна температура.

 

Рис.2 Спектральна густина яскравості АЧТ

Пунктирна крива відображає закон Віна; 1 — 2000ºК, 2 — 1500ºК, 3 — 1000ºК.

Формула Планка допускає два наближення отриманих раніше Джинсом і Віном:

а) для малих довжин хвиль λТ‹‹ hc/k можна допустити

exp (hc/λkT) – 1 ≈ exp hc/λkT

U: = 2h . В цій області основну роль відіграють спонтанні переходи.

б) Для великих довжин хвиль λТ>>hc/k. Експоненту в знаменнику (14) можна розкласти в ряд і обмежитись першим членом: exp (hc/λkT) – 1 ≈ (1+ hc/λkT+…)-1 = hc/λkT. Тоді

(16)

і ця формула носить назву формули Релея – Джинса. Вона приводить до так званої ультрафіолетової катастрофи. Формула (16) справедлива при λТ> мкм К. В цій області основну роль відіграють вимушені переходи.

Закон змішення Віна.

Крива спектральної густини яскравості при заданому значенні T = const проходить через максимум. Зміщення цього максимуму вперше дослідив фізик Він.

λmax = 2898/T (мкм) (17)

Ця формула отримується диференціюванням формули Планка. (Завдання для студентів – отримати формулу Віна). Максимум значення яскравості в шкалі ЧТ визначається так:

, (18)

Отримується із (14) при підстановці λmТ = const. При Т = 290К – максимум спектральної густини буде при λmax ≈ 10мкм. Для спектра Сонця Т = 6000К, λmax = 0,5 мкм.

Закон Стефана – Больцмана.

Цей закон отримується інтегруванням виразу (15) по всьому інтервалу спектра.

(19)

– постійна Стефана – Больцмана.

Вт/() = 5,67 Вт/().

Фактично R(T) площа кривої спектральної світності. Приклад: випромінювання людського тіла Т = 300К.

.

Формула Планка у приведених координатах.

В приведених координатах значно спрощується розрахунок енергетичних потоків в спектральних інтервалах Δλ, що виділяються фільтром оптико – енергетичної системи. Позначимо, що Х = λ/мах,

, (20)

Тоді y ,

,

.

Звідси У = – функція введення Фабрі.

Значення У визначає відносні спектральні розподіли ЧТ в відносних координатах. Функція У = f(x) приводиться в усіх книгах і довідниках по ІЧ техніці. Нехай необхідно розрахувати енергію випромінювання АЧТ в інтервалі позначаємо:

, (21)

,

Відносна дрля енергії визначається: (22)

Задача спрощується, якщо ввести допоміжну функцію , (23)

В (22) чисельник можна записати у вигляді:

І значення Р буде знаходитись так:

P = z(x2) – z(x1) (24)

Значення функції z(x) табульовані в літературі по ІЧ техніці.

Теплове випромінювання реальних тіл.

Спектральна випромінюваність реальних тіл завжди менша за одиницю і залежить від спектрального коефіцієнту поглинання А(λ,Т) згідно закону Кірхгофа. Оскільки реальні тіла завжди оточені іншими (не ізольовані один від одного) то випромінюваність R(λ,T) буде складатись в загальному випадку із власної R`(λ,T) і відбитої R``(λ,T). Для порівняння випроміненості реального тіла та АЧТ вводиться відношенням:

(25)

Величину називають спектральним коефіцієнтом випромінювання реального тіла. (25) перепишемо у вигляді:

(26)

 

де спектральний коефіцієнт чорноти реального тіла, введена раніше поглинаюча здатність тіла (коефіцієнт поглинання).

Інтегральний коефіцієнт випромінювання визначається аналогічно:

(27)

Для чорного тіла , . Завжди

Поняття сірого тіла: сіре тіло буде у випадку, коли , тобто не залежить від довжини хвилі (залежить тільки від температури). Для сірого тіла закон Стефана-Больцмана матиме вигляд:

(28)

Для сірих тіл називається коефіцієнтом сірості.

 

 

Еквівалентні температури

В практиці вводяться декілька типів температур тіл, які пов’язані із певним способом порівняння випромінювання реального та чорного тіла. Такі температури носять назву еквівалентних.

1. Енергетична (або радіаційна) температура — це така температура чорного тіла при якій його випроміненість дорівнює випроміненості реального тіла при його дійсній температурі Т:

(29)

Тобто і завжди . Радіаційна температура вимірюється за допомогою радіаційного пірометра.

2. Яскравісна температура — це така температура АЧТ, при якій його яскравість у вузькій області (смузі) спектру () дорівнює яскравості реального тіла у цій же спектральній області при його дійсній температурі Т.

Вимірюється пірометром із зникаючою ниткою. , але розбіжність між істиною температурою Т та менша, чим із .

3. Кольорова температура — це така температура АЧТ, при якій відношення яскравостей для двох спектральних дільниць в околі деякого спектрального діапазону () дорівнює такому ж відношенню яскравостей реального тіла при його дійсній температурі

(30)

Вимірюється на основі формули Планка із використанням «червоно-синього» відношення. Візуальні пірометри, що вимірюють на основі даного відношення, як правило використовують світлофільтри і

Можна показати, що зв’язок між значеннями температур , та Т буде таким:

Люмінесцентні лампи

Освітлювальні люмінесцентні лампи є ртутні лампи низького тиску. Вони виготовляються у вигляді трубки діаметром 15-20мм і довжиною 15-80см. У трубку кладуть декілька міліграмів ртуті і заповнюють її аргоном при тиску ~ 200-300Па. На кінцях трубки впаяні оксидні вольфрамові електроди. Внутрішня поверхня трубки покривається тонким шаром люмінофора.

При включенні лампи в електричну мережу (сіть) вмикається підігрів електродів, виникає термоемісія, яка приводить до іонізації аргону, випаровування ртуті, її іонізації та виникненню розряду. Після виникнення розряду нагрів електродів відбувається за рахунок самого розряду і живлення накалу відключається.

Випромінювання розряду в парах ртуті зосереджено головним чином на двох лініях з . Люмінофор перетворює УФ-випрормінювання і видиме, що дає можливість отримувати світлові віддачу до 80лм/вт. Яскравість люмінесцентних памп не більше 7000 кд/м², час роботи ~ 12000 год. У якості люмінофорів використовують суміш у різних пропорціях: вольфрамата кальція та магнія; силікати цинку, кадмію; фосфати кальцію, цинку та інші, що дозволяє створювати відповідні світлові відтінки.

Спектр випромінювання люмінофора як правило являє собою неперервну смугу та не залежить від збуджуючого випромінювання, яке може бути і монохроматичним.

Розподіл енергії у спектрі люмінісценсії не залежить від довжини хвилі збуджуючшгш випромінювання.

Коефіцієнт корисної дії люмінофора, як джерела світла визначають світловим, енергетичним та квантовими виходами.

Світловий вихід — це відношення повного світлового потоку люмінесценції до потоку випромінювання (вт), яке поглинуто люмінофором.

Енергетичний вихід — це відношення енергії люмінесценції до енергії, поглинутої люмінофором.

Квантовий вихід — це відношення числа фотонів люмінесценції до числа фотонів, які поглинуті люмінофором.

Спектральною чутливістю люмінофора називають розділ спектру енергетичного виходу при збудженні люмінофора певною довжиною хвилі.

 

 

Спектри випромінювання та поглинання типових порошкоподібних люмінофорів показані на малюнках:

 

 

 

На малюнку показана схема включення люмінесцентної лампи із спеціальним пусковим пристроєм:

1- люмінесцентна лампа

2- пускач

3- дросель

4- конденсатор

5- перемикач

У стартері в момент включення виникає розряд, який нагріває біметалічну пластину і електроди замикають ланцюг накалу лампи, після чого виникає її світіння. Коли лампа засвітиться, спад напруги на пускачу зменшиться, розряд в ньому зникає і контакти розмикаються.

Дросель 3 застосовують для стабілізації струму. Люмінофор має невелике після свічення (0,1 до 0,01с), потоку виникає модуляція свічення лампи. Її глибина досягає 40%, частота — 100Гц (обидва на півперіоди діють). Це дещо негативно діє на око.

Схеми включення двох ламп із зсувом по фазі зменшують модуляцію.

Люмінесцентні лампи виготовляють різних потужностей 3-80Вт.

Від 30-80Вт працюють від напруги 220В.

 

Типові газорозрядні джерела

 

а) Ртутні лампи

Існує три типи ртутних ламп: низького (1,3-130Па), високого (300-3000Па) та надвисокого (1-10МПа).

Ртутні лампи низького тиску діляться на бактерицидні та високовольтні. Бактерицидні лампи по своїй будові аналогічні люмінесцентним. Різниця заклечається в тому, що їх колба виготовляється із спеціального увіолевого скла, яке прозоре для УФ випромінювання, а внутрішня поверхня не покривається люмінофором. Такі лампи використовуються для стерилізації приміщення.

Високовольтні ртутні лампи низького тиску являють собою кварцові колби у вигляді трубок довжиною 10-100см. Трубки не мають підігрівних електродів, замість них застосовують масивні вольфрамові електроди із оксидним шаром на основі лужноземельних металів. Тому робочі напруги їх досить високі. Так для 50см лампи U ~ 280В, струм — 50мА. Основна енергія випромінювання зосереджена в інтервалі 185-254нм.

Ртутні лампи високого та надвисокого тисків розділяють на лампи високого тиску (ВТ), трубчаті лампи надвисокого тиску (НВТ), капілярні лампи із водяним охолодженням (СВТВ), лампи в шарових колбах із малою віддаллю між електродами (СВТШ). У лампах цих типів так само, як і у люмінесцентних джерелах випромінювання, свічення формується лінійчатим спектром випромінювання. Для отримання високого тиску в колбу лампи вводять метал (Hg) тиск парів якого визначається робочою температурою лампи. Пари металу не повинні вступати в хімічну реакцію з матеріалом із колби, і давати значним тиск при досить низьких температурах. Такими властивостями володіє краще псюго ртуть.

Для полегшення підпалу в колбу вводять інертний газ (частіше всього аргон ~ 300Па).

Типовими лампами високого тиску є прямі ртутно-кварцові лампи (ПРК).

На малюнку представлена схема включення ПРК:

 

Рис.7. Схема включення ПРК.

Конденсатор С₁=300-500пф, разом із дроселем утворює високочастотний контур. Якщо лампа при вмиканні в мережу не загорається, то для її підпалу служить ключ К, який замикає конденсатор С₂=2-3мкф. При розмиканні утворюється імпульс високої напруги, який запалює лампу. Її розгорання відбувається 10-15хв.

Ртутно-кварцові лампи надвисокого тиску (НВТ) трубчатої форми із природнім охолодженням являють собою кварцові газорозрядні тркбки (кварцовий пальник), які розміщують в середині скляної колби заповненої інертним газом (для охолодження). Тиск парів ртуті 0,5-1,5МПа в кварцовому пальнику, тому його роблять із товстими стінками. Схема лампи НВТ показана на малюнку:

 

 

Рис.8. Схема лампи НВТ.

1- зовнішня колба

2- інертний газ

3- вольфрамові електроди

4- електроди підпалу

5- кварцовий пальник

6- електроди живлення

7- обмежуючий опори

8- цоколь.

Внутрішню поверхню колби 1 покривають шаром люмінофору, який перетворює УФ-випромінювання у видиме.

Лампа вибухо небезпечна. Лампа має високу світловіддачу ~ 55 лм/вт. Потужність 0,1-1КВт. Включається в електромережу через спеціальні дроселі, або трансформатори (аналогічно РПК).

Ртутно-шарові лампи надвисокого тиску (НВШТ) виготовляють у вигляді товстих кварцових колб шарової форми, в які на малих віддалях впаяні два вольфрамові активовані електроди конусної форми, що забезпечує фіксацію розряду. Для полегшення підпалу часто вводять додаткових електрод. Частина лампи, що світиться має малі розміри (0,5-1мм), та високу яскравість. Лампи випромінюють у видимій та УФ-областях спектру. Розподіл енергії являє собою набір розширених ртутних ліній на фоні суцільного спектру.

Спектр лампи СВДШ-500

Рис.9. Спектр лампи СВДШ-500.

Такі лампи використовують в оптичних приладах для отримання вузьконаправлених та яскравих пучків, тиск парів ртуті всередині лампи складає 1-7МПа. Малі віддалі між електродами дозволяють працювати лампі від напруги 127, 200В. потужність ламп 0,05-2КВт. Яскравість досягає (1,5-5)*10⁸ Кд/м².

Лампи тліючого розряду виготовляють у вигляді скляних колб різної форми з двома електродами з вольфраму на малій віддалі. Колбу заповнюють розрідженим інертним газом (2-3КПа). Частіше всього це неон із домішкою гелію, або аргоном (можлива добавка ртуті).

Лампи тліючого розряду мають малу потужність: 0,01-10Вт, і робочу напруга 50-200В (і більше). По своєму призначенню вони діляться на сигнальні мініатюрні неонові, неонові панельні, неонові індикатори високої напруги та інші. Неон дає оранжево червоне свічення, ртуть — синьоватобіле, аргон — плідно блакитне. Випромінювання ламп добре модулюється із частотою до 10⁴ Гц.

Натрієві лампи виготовляють у вигляді скляної газорозрядної трубки, що заповнена неоном, або гелієм при низькому тиску та невеликій кількості натрію, який при розряді випаровується. Тиск парів натрію в робочому режимі складає ~ 1Па. Такий тиск відповідає температурі 553-573К. Лампа випромінює дві резонансні лінії , . Використовується для калібровки спектральної апаратури. Певним аналогом натрієвої лампи е цезієві та цирконієві лампи.

В газових лампах високого тиску та надвисокого тиску використовується дуговий розряд в тяжких інертних газах (аргон, криптон, ксенон). Спектр випромінювання ламп неперервний із яскраво виділеними смугами. Тепловий спектр відповідає температурі 5273-6273К.

Конструктивно ксеноні лампи аналогічні ртутним лампам НВТШ

Потужність ксенонових ламп досягає 1КВт, яскравість ~ 2000 МКд/м².

Використання ксенонових ламп в кіноапаратурі значно спрощує роботу апаратури в порівнянні із використанням звичайних дугових джерел.

Схема включення ксенонових ламп зображена на малюнку:

 

Рис.10. Схема включення ксенонових ламп.

1 – підвищуючий трансформатор для підпалу іскрового проміжку 5

2 – балансний резистор

3 – імпульсний транзистор

4 – ксенонова лампа

 

Світлодіоди

Н/п випромінювачі діоди (світлодіоди). Принцип їх дії заснований на явищі електролюмінісценції при протіканні струму в структурах з р-n переходом. Світлодіоди виконують функції, протилежні функціям фотоприймачів, тобто ефективно перетворюють електричну енергію в світлову. Когерентне монохроматичне або спонтанне свічення (люмінесценцію) в н/п можна отримати декількома типами збуджень (накачок): оптичним збудженням, збудженням пучками швидких електронів із високою енергією, збудженням імпульсами електричного поля (ударна іоніцація).

Найбільш розповсюдженим є метод збудження за рахунок інжекції носіїв заряду у р-n перехід. Розглянемо принцип інжекційного збудження.

Енергетична схема р-n переходу

У «р» області не основні носії з’являються за рахунок температурних переходів зон-зона, або малої кількості донорів.

, де — контактна робота виходу дірок, — контактна робота виходу електронів.

Напрямок поля запираючого шару із різницею потоків U_k виникає внаслідок дифузії основних носіїв заряду у р-n переході. При Т > 0 за рахунок донорних рівнів в n-області в зоні провідності переважають електрони (основні носіфї заряду), а в р-області в валентній зоні знаходяться дірки (основні носіфї заряду). У відсутності напруги U струм через р-n перехід відсутній. Дифузійний струм основних носіїв, що створює запиряюсий щар компенсується дрейфовим струмом неосновних носіїв (електрони р-області, дірки — n-області).

Прикладена до р-n переходу напруга U прямого напрямку приводить до зменшення потенціального бар’єру U_k (U­_k-U) і збільшення кількості нерівноважних електронів у «р» області, та дірок у «n» області р-n переходу. При рекомбінації цих носіїв виділяється енергія у вигляді світла та тепла. Найбільш характерні типи рекомбінаційних переходів зображені на малюнку.

Якщо Е, та Е₂ енергії електронів та дірок, що відраховані від відповідних рівнів Фермі, то умова рекомбінації . Тому свічення може виникнути при потенціалі . Інша частина енергії (Е₁+Е₂) постачається теплом, яке звільнює носії з локальних рівнів і піднімає їх на відповідну висоту, відраховану від країв відповідних зон.

 

Рис. 13. Рекомбінаційні переходи у н/п.

І — між зонні переходи

ІІ — перехід ЗП-домішковий рівень

ІІІ — перехід із збудженням електрона у зоні провідності

 

В наслідок міжзонної рекомбінації (І) виділяється або квант світла, або квант теплової енергії, яку сприймає кристалічна гратка у вигляді фонона. Аналогічно відбувається рекомбінація на домішковий рівень (ІІ). У випадку ІІІ енергія міжзонної рекомбінації передається іншому електрону в зоні провідності, після чого передається кристалічній гратці. Зауважимо, що при включені світло діода у зворотному напрямку (-U) провідність забезпечується не основними носіями.

Переходи із виділенням світлових квантів називають випромінюючими, а із виділенням тепла через фонони — не випромінюючими.

Найкращими властивостями для випромінюючої рекомбінації має арсенід галію GaAs. В залежності від числа інжектованих носіїв по відношенню до стану термодинамічної рівноваги в зоні провідності збільшується, а в валентній зоні зменшується рівень населеності енергетичних станів. При малому рівні інжекції це відхилення приводить до спонтанного випромінювання, а при значній інжекції це відхилення після досягнення інверсії населених рівнів може привести до лазерного ефекту (н/п лазер).

На малюнку приведена узагальнена світлова характеристика свічення р-n переходу

 

 

 

Рис.14. IU — вольт-амперна характеристика р-n переходу.

В — яскравість свічення.

Свічення при включенні в оберненому напрямку виникає за рахунок процесів ударної іонізації та тунельних процесів в запорному шарі (напруженість складає ~ 10⁶В/см) при його електричному пробої. Найбільш характерне свічення світлодіода при зворотному напрямку поля U дає карбід кремнію (SiC)

Спектральні характеристики світлодіодів. Світлодіоди випромінюють в спектральному інтервалі до декількох десятків нанометрів. Довжина хвилі визначається в першу чергу шириною забороненої зони н/п: . Відомі в даний час н/п матеріали дозволяють створювати світло діоди із свіченням в видимій та близькій ІЧ областях спектра. Деякі типові спектральні характеристики приведенні на малюнку

Рис.15. Деякі типові спектральні характеристики.

1 – GaP легований Zn,Fe,O₂, ,

2 – GaAs легований Zn,Fe, ,

3 – GaAs легований Si,Fe,

4 – αSiC модифікації 6H, легований BiN, ,

Криві приведені для кімнатної температури. При її збільшені зсувається в сторону більших довжин хвиль.

Яскравісні характеристики та температурні діапазони роботи. Яскравість в функції сили струму на початковій стадії має нелінійну ділянку.

Рис.16. Залежність яскравості від струму.

На лінійній ділянці b ~ 2-20 кд/м²∙мА, — струм р-n переходу, — початковий струм, при якому характеристика стає лінійною. В межах лінійної ділянки яскравість змінюється приблизно на 2 порядки.

Робочий температурний діапазон світло діодів на основі:

GaAs — 213 – 353К,

GaP — 213 – 343К,

αSiC — 263 – 343К.

В залежності від типу домішок зміна температури по-різному впливає на інтенсивність освічення.

Імпульсні властивості світлодіодів. Часова динамічна характеристика світлодіода визначається мінімальним часом наростання і спаду світлового імпульсу, завалом її верхівки при живленні його прямокутним імпульсом, а також мінімальною сквжністю імпульсів. Характерна динамічна характеристика світло діода при його живленні «П» подібними імпульсними переставлена на малюнку:

Рис.17. Спекрт люмінісценсії В(t) при живленні світлодіода прямокутним імпульсом U(t).

Довжина переднього та заднього фронтів залежать від постійної часу RC ланцюга, індуктивності діода та ланцюга живлення, а також від температури. Робота світлодіода в неперервному режимі часто обмежується лише температурою.

Фронти імпульсів світла у деяких типів світлодіодів при кімнатній температурі можуть бути рівними ~ 10^-9с, при частоті повторення імпульсів ~ 10⁷Гц. В імпульсному режимі яскравість на 1-2 порядки вище ніж у неперервному режимі.

Ефективність р-n переходу як джерела, його конструктивні особливості. Основною характеристикою випромінюючого світлодіода є зовнішній квантовий вихід, який являє собою добуток внутрішнього квантового виходу та коефіцієнта виходу випромінювання (оптичної ефективності приладу):

— зовнішній квантовий вихід, — внутрішній квантовий вихід, — оптична ефективність конструкції.

Зовнішній квантовий вихід можна визначити наступним відношенням:

,

де — число випромінених за 1с фотонів, — число носіїв струму введених в р-n перехід за 1с., — інтегральна потужність випромінювання, е — заряд електрона, І — струм.

Коефіцієнт корисної дії світлодіода .