Источники света (ИС)Принцип действия ИС основан на использовании индуцированного излучения и электролюминесценции. Индуцированное излучение осуществляется под действием внешних фотонов. Излучатели, работающие на этом принципе, – лазеры (аббревиатура от слов: light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света за счёт индуцированного излучения.)
8.2.1 Лазер полупроводниковый Наиболее распространённым является лазер на кристалле рубина (Al2O3) с примесью атомов хрома. Ионизированные атомы хрома являются источником лазерного излучения в рубине. На рисунке 8.1 представлено изображение лазера, на котором: 1 – когерентные световые лучи; 2 – полупрозрачное зеркало; 3 – отражающее серебряное зеркало; 4 – кристалл рубина; 5– лампа вспышки-накачки. На лампу вспышки-накачки 5 подаётся высоковольтное импульсное напряжение. Излучение оптической накачки (процесса перехода электронов в зону проводимости под действием светового излучения) возбуждает атомы хрома. Кристалл рубина 4 является оптическим резонатором, в котором когерентный луч многократно отражается между поверхностями 2 и 3 перед прохождением через полупрозрачный отражающий слой 2. КПД лазера равен 0,5%, Рнакачки = 100 кВт, Рл = 500 Вт. Широко используется в медицине и особенно широко в голографии (полная запись – метод записи и воспроизведения волнового поля).
8.2.2 Электролюминесцентный конденсатор (рисунок 8.2) Электролюминесценция – испускание света при рекомбинационных переходах электронов в возбуждённых полупроводниках. Она возникает при самопроизвольном (спонтанном) возвращении электронов в валентную зону. А возбуждение осуществляется сильным электрическим полем, ударной ионизацией в запертом p-n переходе или инжекцией носителей через открытый p-n переход. Используются как индикаторы, источники света в оптопарах, источники излучения для фиксации на светочувствительном материале. На стеклянную подложку 5 нанесён полупрозрачный проводящий слой – нижний электрод 4. Электрическое поле между электродами (верхний 1 и нижний 4)возбуждает электролюминесценцию в люминофоре 3, который отделен от верхнего электрода 1 диэлектриком 2. Свет выходит через полупрозрачное стекло. Недостатком является большое время разгорания и затухания (10-3 ‑ 10-4с). На рисунке 8.3,а приведена яркостная характеристика B = f(U), где Umin – опорное напряжение, на рисунке 8.3,б – характеристика старения прибора. Видно, что срок службы зависит от материала изготовления.
8.2.3 Светодиод инжекционный В основе работы светодиода лежит излучательная рекомбинация в p-n - переходе. При прямом смещении инжектированные неосновные носители вблизи перехода рекомбинируют в базе с основными. При этом излучаются кванты света. Излучение может быть в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра. Основные характеристики светодиодов: а) диаграмма направленности P = f(a) – определяется конструкцией и оптическими свойствами материала (рисунок 8.4) б) спектральная характеристика B/B0= f(l) – зависимость яркости от длины волны ‑ представлена на рисунке 8.5, где B - яркость (кандела/м2); В0 – максимальная яркость; В/В0 – относительная яркость;
в) яркостная характеристика B= f(IД) – зависимость яркости от тока диода ‑ представлена на рисунке 8.6; г) ВАХ IД = f(UД) – такая же, как у выпрямительного диода, но более линейная. Используются плоская и полусферическая конструкции λ;. Плоская конструкция (рисунок 8.7,а) наиболее простая. Рабочая поверхность большая (несколько мм2), но мала эффективность. Используется в матричных устройствах с большой плотностью упаковки. Полусферическая конструкция (рисунок 8.7,б) по технологии сложней, но выигрывает в эффективности. Это делает её более предпочтительной. Светодиод с перестраиваемым цветом свечения (рисунок 8.7,в) представляет двухдиодную структуру, каждый из p-n переходов управляется независимо. Верхний p-n переход, допустим, излучает зелёный цвет, нижний – красный. Если смещены оба перехода, то цвет излучения – жёлтый. Изменяя ток, можно изменять цвет, получая большую гамму излучения. Может быть использован как индикатор для отображения четырех состояний.
На светодиодах могут быть построены в интегральном исполнении инжекционные лазеры – источники когерентного излучения, которые концентрируют большое количество энергии в узкой спектральной области при высоком КПД и быстродействии (в виде матриц на базовом кристалле). Они широко используются в информационных табло. Недостатками являются: а) низкая эффективность; б) деградация характеристик при старении. Достоинства: а) механическая прочность; б) высокая надёжность; в) малые габариты; г) низкие рабочие температуры; д) малое потребление энергии; е) безынерционность. 8.3 Фотоприёмники В фотоприемнике или фотоэлектрическом приборе происходит преобразование лучистой энергии в электрическую. Строится на трех основных фотоэлектрических явлениях: а) внутренний фотоэффект – изменение электропроводности проводника при его освещении за счёт увеличения концентрации носителей тока (фоторезистор); б) фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света (фотодиод, фототранзистор); в) внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света – фотоэлектронная эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель).
8.3.1 Фотодиод Фотодиод – фотоэлектронный прибор, в основу работы которого положен фотоэффект в запирающем слое, возникает ЭДС в p-n переходе под действием светового потока. Имеет структуру обычного p-n перехода. Изготавливается из германия или кремния, чаще кремния, так как он имеет более высокий коэффициент преобразования. Можно подвергать световому воздействию: а) параллельно p-n переходу, но все процессы идут сверху в небольшой области; б) перпендикулярно к p-n переходу, одна из областей делается прозрачной для лучей. При облучении происходит ионизация атомов исходного вещества в p-n переходе. Увеличивается собственная электропроводность, т.е. количество пар электронов и дырок. Фотодиод может включаться с и без внешнего источника: а) без внешнего источника – называется вентильным или фотогенераторным режимом; б) при наличии внешнего источника питания Евн – фотодиодным или фотопреобразовательным режимом. а)вентильный режим фотодиода – Евн = 0: 1) при Ф = 0 (режим неосвещённого диода) будет равновесное состояние, p-n переход заперт, следовательно, суммарный ток через переход равен нулю; 2) при Ф > 0. Если энергия падающего фотона больше ширины запрещенной зоны, то валентный электрон перейдёт в зону проводимости и образуется пара подвижных носителей - электрон и дырка. Так как концентрация носителей в запирающем слое меньше, чем в р и n областях, то из-за градиента они диффундируют к p-n переходу. На границе перехода они разделяются. Под действием поля перехода (контактной разности потенциалов) неосновные носители перебрасываются в область, где становятся основными, т.е. дырки переходят в р -зону, а электроны – в n -зону В области р накапливается избыточный положительный заряд дырок, в n – избыточный отрицательный заряд электронов, т.е на выводах образуется фотоэдс – jФ, который приложен к p-n -переходу в прямом направлении. Таким образом за счёт светового потока Ф увеличивается дрейфовая составляющая тока – фотоэдс jФ. Фотоэдс в свою очередь уменьшает потенциальный барьер и увеличивает диффузионный ток. Определим величину фотоэдс jФ. Сумма токов в диоде IЕ – IД + IФ = 0, где IЕ. – дрейфовый ток, IД – диффузионный ток, IФ – фототок. IЕ=I0 – тепловому току p-n перехода. Диффузионный ток IД=I0∙еxp(jФ /jТ ) , фототок Iф= IД – IЕ = I0 [еxp(jФ /jТ) –1)], отсюда jФ=jТ∙∙ln[(IФ/I0+1)]. Фотоэдс jФ зависит от освещенности, длины волны l, ширины запрещенной зоны, времени жизни носителей, подвижности электронов, состояния поверхности; б) фотодиодный или фотопреобразовательный режим. Напряжение внешнего источника включается в обратном направлении к диоду: а) при Ф = 0 через переход течёт обратный тепловой ток – I0; б) под действием Ф > 0 увеличивается число пар носителей и увеличивается обратный ток – фототок. Общий ток через диод Iобщ=I0+I Ф. К основным характеристикам фотодиода относятся: а) вольт-амперная характеристика I=f(U)|Ф= const (рисунок 8.8). Здесь в IV квадранте отражен генераторный режим: 1) при I = 0 (режим холостого хода) U = jф – фотоэдс; 2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток Iкз; 3) при RH ¹ 0 ток I = jф / RH. В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок IФ. Общий ток Iобщ равен сумме обратного тока и фототока Iобщ=I0+IФ. В I квадранте – при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода. При Ф > 0 Iп р >> IФ и IФ не отличить на фоне Iпр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как IФ и Iобр соизмеримы, фотодиод включается в обратном направлении; б) спектральная характеристика Iф=f(l). Германиевый фотодиод имеет более широкий спектр (рисунок 8.9); в) энергетические Iф=f(Ф): 1) световая (для вентильного режима – рисунок 8.10,а) Iф=f(Ф)|Rн = const, при RН = 0 Iф изменяется прямо пропорционально световому потоку Ф, с увеличением RН увеличивается URH и характеристика отличается от линейной;
2) световая (для фотодиодного режима – рисунок 8.10,б) Iф=f(Ф) |U=const Основные параметры: а) выходное сопротивление Rвых – десятки мегаом; б) чувствительность К=DIФ/DФ|U=const – несколько десятков мА/лм; в) темновой ток IТ, ток при Ф=0 и Uобр =1В.
К недостаткам относятся: а) сильное влияние температуры; б) инерционность; в) низкий коэффициент преобразования из-за потерь.
Фотодиоды применяются: а) для регистрации слабых низкочастотных световых сигналов; б) при преобразовании световой энергии в электрическую (солнечные батареи, источники питания); в) в устройствах считывания информации; г) автоматике, фотометрии, при контроле наличия источников излучения и др. 8.3.2 Фототранзистор биполярный Это фотоэлектронный транзистор с двумя или более выводами. Имеет структуру плоскостного транзистора и выводы от эмиттера, коллектора и базы. Свет воздействует на базу. Используются два режима: а) с оборванной (плавающей) базой; б) с задействованной базой.
Рассмотрим режим работы с оборванной базой: а) при Ф=0 через коллекторный переход течёт сквозной ток коллектора IКОС, который называется темновым (обратный ток коллектора в схеме с ОЭ при Iб=0 – оборванной базе). IТК=IКОС= I КО /(1 – a);
б) при Ф>0 фотоны вызывают генерацию пар в базе. Дырки полем КП втягиваются в коллектор, а электроны скапливаются в базе. Они уменьшают потенциальный барьер в ЭП, что создаёт дополнительную инжекцию дырок из эмиттера и увеличивают ток коллектора IК. Электроны, возникающие при внутреннем фотоэффекте, создают фототок IФ, пропорциональный световому потоку Ф, и играют управляющую роль тока базы.
При равных световых потоках Ф, воздействующих на диод и транзистор, полное приращение IК в фототранзисторе больше фототока IФ диода в (b+1) раз IФТ=IФд(1+b). Максимальная чувствительность получается при освещении участка базы, непосредственно примыкающего к коллектору, так как далеко от него они рекомбинируют, а эмиттерный контакт сдвигают, чтобы мертвая зона находилась с краю светочувствительной площадки. Основные характеристики: а) выходные IK=f(UКЭ) при Ф=const аналогичны с выходными характеристиками биполярного транзистора с ОЭ, но параметром является вместо тока базы IБ световой поток Ф. б) энергетические и спектральные характеристики подобны фотодиодным.
8.3.3 Фототиристор Фототиристор преобразовывает световой сигнал в электрический. Имеет ту же структуру, что и обычный тиристор, но с прозрачным окном (рисунок 8.11). Здесь: 1 – прозрачный слой; n1, p2 – базы; n2, p1 – эмиттеры; УЭ – управляющий электрод. На ВАХ, как и у простого тиристора, имеет место участок с отрицательным сопротивлением. Рассмотрим режимы работы: а) при Ф =0 режим как у обычного тиристора, течёт темновой ток; б) при Ф > 0 световой поток управляет моментом включения тиристора. Генерируются пары носителей, дырки отбрасываются в р -область, а электроны в – n -область. Продвигаясь к эмиттерным переходам, они уменьшают их потенциальные барьеры и увеличивают диффузионные токи. При некоторых Ф, Мa = 1 и тиристор включается. Через него течет ток I=(IК0 + IФ)/(1 – Мa), где IФ – суммарный фототок ‑ равен IФ= IФ2+IФ1a1+IФ3a3. Управление световым потоком Ф имеет преимущество перед электрическим, так как позволяет осуществлять гальваническую развязку управляющей цепи от силовой. УЭ ‑ дополнительный электрод ‑ введен для: а) создания определённого режима работы; б) температурной компенсации; в) стабилизации светочувствительности.
Основные характеристики фототиристора: а) спектральная, как у фототранзистора; б) ВАХ – как у тиристора; в) характеристика управления Uвкл =f(Ф ) приведена на рисунке 8.12, где Uвкл0 – Uвкл при Ф= 0. Это максимальное напряжение включения при затемнении; Uост – минимальное Uвкл при Фспр; Фспр – максимальный световой поток, при котором ВАХ спрямляется; Фпор – начальная нечувствительность к управляющему световому потоку; г) Световая характеристика IФ=f(Ф) при U=const приведена на рисунке 8.13. Применяется фототиристор в разных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для коммутации электрических цепей большой мощности. Достоинствами прибора являются малое потребление мощности, малые габариты, малое время включения и отсутствие старения.
|