Источники оптического излучения
Оптоэлектроника – это раздел электроники, где в качестве носителя информации используются электромагнитные волны оптического диапазона. Длины волн оптического излучения лежат в диапазоне от 10 нм до 1 мм. Оптический диапазон волн по физическим свойствам неоднороден, в связи с этим он делится на поддиапазоны, у которых физические свойства одинаковы, ультрафиолетовое излучение l=0,01…0,4 мкм, видимое излучение l=0,38…0,78 мкм, инфракрасное излучение l=0,78…1000 мкм.
Длина волны определяет степень передачи и поглощения излучения в различных светопроводящих средах.
Световой луч в оптоэлектронике выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.
В оптических цепях носителями сигналов являются электрически нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются. Оптические цепи не подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую развязку входных и выходных цепей оптоэлектронных элементов связи; однонаправленность передачи и отсутствие влияния приемника на передатчик; высокую помехозащищенность оптических каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электрических и магнитных полей; отсутствие влияния паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале связи и отсутствие паразитных связей между каналами; хорошее согласование цепей с разными входными и выходными сопротивлениями.
В электрических же цепях носителями заряда являются электроны, которые взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями, что требует экранирования и защиты от внешних полей. В электрических цепях трудно осуществить гальваническую развязку по постоянному току и на низких частотах.
Невосприимчивость оптического излучения к различным внешним воздействиям и электронейтральность фотона являются не только достоинствами, но и недостатками, ибо затрудняют управление интенсивностью и распространением светового потока.
Компоненты оптоэлектроники и электроники существуют, не отрицая друг друга, а каждый из них используется в той области, где применение его целесообразно.
В устройствах оптоэлектроники передача информации от управляемого источника света (фотоизлучателя) к фотоприемнику осуществляется через светопроводящую среду (воздух, вакуум), световоды, выполняющие роль проводника оптического излучения. Световодные линии являются эквивалентами электрических проводников и характеризуются большой пропускной способностью, возможностью совмещать в одном световоде большое число каналов связи при очень высокой скорости передачи информации, достигающей гигабит в секунду. Оптическое излучение легко разделяется по длинам волн, поэтому в одном световоде можно объединять несколько каналов информации.
Отсутствие электрического тока в световодах обеспечивает их высокую пожаро- и взрывобезопасность. Эти свойства важны при прокладке линий связи и установке устройств автоматики в помещениях с повышенной опасностью.
Оптоэлектронные устройства могут быть изготовлены по интегральной технологии. Оптические интегральные схемы обладают широкой полосой пропускания, невосприимчивостью к вибрации, повышенной надежностью, экономичностью при серийном производстве, малыми размерами и массой.
Излучающие приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения с определенной длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе работы управляемых источников оптического излучения лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, газоразрядное излучение, электролюминесценция; индуцированное излучение. Источники излучения бывают когерентными и некогерентными. Лампы накаливания, газоразрядные лампы, электролюминесцентные элементы, инжекционные светодиоды являются некогерентными источниками излучения. Когерентными источниками излучения являются лазеры.
Принцип действия полупроводниковых излучающих приборов основан на явлении электролюминесценции. Электролюминесценцией называют явление излучения света телами под действием электрического поля.
Электролюминесценция является частным случаем люминесценции. Под люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. В оптоэлектронных полупроводниковых приборах используется люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной. Для работы в диапазоне видимого излучения (0,38…0,78 мкм) используются полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5…3,0 эВ. Это исключает применение германия и кремния, технология которых хорошо отработана, а используются материалы типа АIIIВV (арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAs1-xPx, где 0 £ x < 1 и другие многокомпонентные полупроводниковые соединения. В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. Генерация оптического излучения в p–n переходе объединяет два процесса: инжекцию носителей и электролюминесценцию.
Одним из наиболее распространенных источников света является светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения. Это происходит при смещении p–n перехода в прямом направлении.
На рис. 7.1 показана конструкция плоского, а на рис. 7.2 полусферического светодиодов. При приложении прямого напряжения Uвн к p–n переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход. Увеличивается инжекция дырок в n–область, а электронов в p–область. Прохождение тока через p–n переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом p–n переходе, так и в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами Ln и Lp. В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки), энергетические уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны, и сопровождается выделением тепловой энергии – фонона. Такая рекомбинация называется безизлучательной. А в ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света – фотона. Это происходит в полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны – прямозонных полупроводниках. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны (переход зона-зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, при котором еще один электрон перейдет в валентную зону. Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p–n переходом. Желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально в излучающей (активной) p–области (рис. 7.1, 7.2). Для этого в n–область вводят больше донорной примеси, чем в р–область акцепторной. Преобладает инжекция электронов из n–области в p–область и излучает p–область. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток p–n перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, процесс рекомбинация в этом случае реализуется в основном в p–n переходе.
Излучательная способность светодиода характеризуется:
1. Внутренней квантовой эффективностью или внутренним квантовым выходом, определяемой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей заряда за один и тот же промежуток времени. Так как часть фотонов покидает полупроводник, а другая часть отражается от поверхности полупроводника, а затем поглощается объемом полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения.
2. Внешней квантовой эффективностью излучения (квантовым выходом), определяемой отношением числа фотонов, испускаемых диодом, во внешнее пространство к числу инжектируемых носителей через p–n переход.
Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной способности светодиода, который учитывает эффективность инжекции, электролюминесценции и вывода излучения во внешнее пространство. С целью повышения эффективности вывода излучения светодиода используют различные конструкции (рис. 7.2): полусфера, отражающие металлизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение.
Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета. Наряду со светодиодами, работающими в диапазоне видимого излучения, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения (ИК–диоды), которые изготавливаются преимущественно из арсенида галлия. ИК–диоды применяются в фотореле, различных датчиках и при создании некоторых оптронов.
Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами (рис. 7.3,а), один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой в зеленой. Структура имеет три вывода (1, 2, 3 на рис. 7.3,а), что позволяет осуществлять раздельное управление током каждого p–n перехода.
Изменяя токи переходов, удается менять цвет свечения от желто-зеленого до красно-желтого оттенка, а также получать чистые красный и зеленый цвета. Принципиальная схема такого светодиода представлена на рис. 7.3,б.
7.2. Характеристики светодиодов
Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная.
На рис. 7.4 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают преимущественно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения.
Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 7.5).
В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.
Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носи-телей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться
безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше.
Спектральная характеристика – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов (рис. 7.6). Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики.
На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм.
7.3. Основные параметры светодиодов
1. Сила света IV – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд), и составляет десятые доли – единицы мкд. Кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.
2. Яркость излучения равна отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки–сотни кд/см2.
3. Постоянное прямое напряжение – падение напряжения на диоде при заданном токе (2…4 В).
4. Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку.
5. Максимально допустимый постоянный прямой ток, составляет десятки мА и определяет максимальную яркость излучения.
6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы B).
7. Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 7.7).
Время переключения tпер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезарядки барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода.
8. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод сохраняет свою работоспособность (–60…+70 °C).
9. Срок службы составляет 104…106 часов.
Существенным недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры и продолжительности эксплуатации. С повышением температуры яркость и сила света уменьшаются, несколько увеличивается длина волны излучения. Это увеличение обусловлено тем, что с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника. Постоянное уменьшение мощности излучения (деградация) при длительном протекании через прибор прямого тока связано с увеличением концентрации центров безизлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов.
Итак, характерными свойствами светодиодов является их высокая надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, масса, потребляемая мощность, возможность изготовления светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечения, совместимость с интегральными микросхемами.