1.7.2 Источники оптического излучения

Источник оптического излучения используют следующие физические эффекты: свечение нагретого тела (лампы накаливания), излучение при газовом разряде (неоновые лампы), электролюминесценция (светодиоды и неоновые лампы с люминесцентным покрытием), индуцированное излучение (лазеры и лазерные светодиоды). В электронике используются все виды излучения. Но наиболее широкое распространение получили светодиоды, обладающие минимальными габаритами. большим сроком службы, высоким КПД.

Светодиоды

Светодиоды являются некогерентными источниками излучения. Светодиоды изготавливаются на основе арсенидов и фосфитов галлия, индия и алюминия с проводимостями n и р – типа.

Основу светодиодов составляет p-n переход из материалов, имеющих широкую запрещенную зону. При протекании тока через переход в прямом направлении происходит рекомбинация основных и не основных носителей заряда с выделением энергии. В германиевых и кремниевых диодах эта энергия идет на нагрев материала диода, при широкой запрещенной зоне излучение более интенсивно и часть энергии выделяется в виде излучение. Для получения заданного спектра, в том числе и видимого, в полупроводник добавляют люминофор на основе фосфора или его солей. Наибольшее распространение получили светодиоды с инфракрасным, красным, зеленым и желтым спектром излучения. Схема включения светодиода показана на рис. 1.34 Отличие светодиодов от выпрямительных диодов заключается в большем падении напряжения 2.5-4 В в прямом направлении и низком допустимом обратном напряжении.

Рис. 1.34 Схема включения светодиода

Светодиоды характеризуются рядом зависимостей:

Вольтамперной характеристикой U = f(I), рис. 1.35, а;

Зависимостью мощности излучения от прямого тока , рис. 1.35, б;

Спектральной характеристикой , рис. 1.35, в.

а) б) в)

Рис. 1.35 Основные зависимости для светодиодов

Для обеспечения направленного свечения используют отражатели и линзы, встроенные в прибор. КПД современных светодиодов достигает 50%, что позволяет использовать их в осветительных приборах.

Лазерные светодиоды

При индуцированном излучении световые волны имеют одинаковую частоту и направление излучения. Такое излучение называется монохроматическим, оно хорошо фокусируется и фильтруется световыми фильтрами.

Лазерную генерацию можно получить тремя способами: на основе переходов между электронными оболочками атома; с использованием вращательно-колебательного спектра молекул; на основе переходов между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике. Для лазерной генерации можно использовать практически любой материал.

Полупроводниковые лазеры используют арсенид галлия, легированный селеном или теллуром в n слое и легированный кадмием в р слое. Прибор выполняется в виде параллелепипеда с тремя полированными гранями и одной открытой для излучения. Накачка идет прямым током диода.

Лазерные светодиоды малогабаритны, но имеют расходящийся луч, широко используются для связи по световодам, обладают малой инерционностью и могут работать на частотах до нескольких гигагерц. При малых токах излучение некогерентное, при увеличении тока диод генерирует лазерное излучение. Примером использования лазерных светодиодов является оптическая указка, луч которой очень мало расходится.