3.2. Оптоэлектронные источники излучения

Выбор источника излучения оказывает значительное влияние на характеристики ВОП. Их характеризуют спектральный состав, мощность излучения, диаграмму направленности, уровень широкополосного оптического шума.

Характерные черты оптоэлектронных приборов и устройств позволяют обрисовать признаки отличия оптоэлектронных источников излучения. К таким общим чертам, как миниатюрность элементов и, в большинстве случаев, твердотельность, конструктивность изготовления по плоскостным технологиям (присущую интегральным микросхемам), можно добавить, исходя из информационной составляющей определения оптоэлектроники, управляемость и связанные с этим узконаправленность и быстродействие. Более детально эти признаки будут раскрыты при дальнейшем рассмотрении, но можно сказать, что такими характеристиками могут обладать полупроводниковые излучатели.

3.2.1. Излучающие диоды

В основе работы источников излучения оптического диапазона лежит одно из следующих физических явлений: тепловое излучение, разряд в газовой среде, люминесценция, индуцированное излучение. Действие излучающих диодов основано на явлении люминесценции, а точнее – электролюминесценции. Для возникновения люминесценции в полупроводнике необходимо привести его в возбужденное состояние с помощью каких-либо внешних источников энергии. Например, при воздействии электрического поля или тока возникает электролюминесценция.

История создания излучающих диодов ведется от 1923 г., когда О.В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокремниевые детекторы, обнаружил, что при пропускании через них электрического тока может возникнуть зеленовато-голубое свечение. Практического применения тогда этот эффект не получил, но в 1955 г. ученые обнаружили инфракрасное излучение при пропускании тока через диод на кристалле арсенида галлия (GаАs). В 1962 г. другой полупроводник (на основе фосфида галлия) засветился красным светом. Эти две даты и определяют время рождения светодиодов.

Возбужденные электроны, переходя из зоны проводимости в валентную зону, испускают кванты энергии. Согласно зависимости, связывающей энергию и частоту излучаемых колебаний (произведение энергии [эВ] на длину волны [мкм] равно числу 1,23), для излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра требуется энергия 1 – 3 эВ [1,23:1,1 = 1,1  1,23:0,4 = 3,1]. Именно в этих пределах находится энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны у кремния (Si), арсенида галлия (GаАs) и фосфида галлия (GаР): 1,12; 1,4; 2,27 эВ.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) ученые и технологи научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности, излучения). Параметры некоторых светодиодов на основе различных полупроводников приведены в табл. 3.1.

Табл. 3.1

Параметры светодиодов

Цвет свечения	Длина волны, мкм	Материал полупроводника	Напряжение питания, В (при 10 мА)	Мощность излучения, мкВт (при токе 10 мА)
Зеленый	0,565	GаР	2,2  2,4	1,5  8,0
Желтый	0,583	GаРАs	2,0  2,2	3,0  8,0
Оранжевый	0,635	GаРАs	2,0  2,2	5,0  10,0
Красный	0,655	GаАsР	1,6  1,8	1,0  2,0
ИК	0,900	GаАs	1,3  1,5	100,0  500,0

Из приведенной таблицы следует, что полосы излучения светодиодов достаточно узки (во второй графе табл. 3.1 указаны значения длин волн максимумов излучения) и имеют ширину (на уровне 0,5 от максимального излучения) в несколько десятков нанометров.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии – диаграммой направленности. Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Поскольку рабочее питание на излучающие диоды подается в прямом направлении (свечение возникает при положительном потенциале на анодном выводе диода), для работы на переменном токе выпускаются диодные сборки, в которых два диода включены встречно-параллельно. В этом варианте каждый диод работает только полпериода синусоидального цикла. При этом важно не забыть, что ограничительное сопротивление в цепи питания диода не должно допустить повышенных обратных напряжений на запертом диоде.

Выпускаются также диодные сборки, дающие световой поток с изменяемым цветом свечения. В таких сборках объединяются два диода с разным цветом свечения (как правило, зеленый и красный), что позволяет излучать не только тот или иной основной цвет, но и промежуточные (например, желто-зеленый, желтый, оранжевый). Пока не созданы диоды с интенсивным свечением синего цвета, равным по яркости зеленому и красному, иначе на таких диодных сборках можно было бы создавать полноцветные светодиодные табло и экраны.

Инфракрасные светодиоды (λ = 1 мкм) удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к источникам излучения ОЭП. Отличительной особенностью светодиодов является узкая диаграмма направленности излучения, позволяющая вводить поток в световоды без вспомогательной оптики. Мощные ИК светодиоды позволяют получить плотность излучения, соизмеримую с аналогичным значением для ламп накаливания при гораздо меньшей потребляемой мощности. Однако при проектировании ОЭП необходимо учитывать наличие низкочастотного оптического шума с частотами до 1 кГц, что снижает эффективность применения светодиодов при измерении медленно меняющихся величин. Для некоторых мощных ИК светодиодов при изменении питающего тока трансформируется диаграмма направленности, что в свою очередь приводит к изменению функции преобразования ВОП. При оценке температурной стабильности ОЭП следует принимать во внимание температурную нестабильность светодиодов. Изменение температуры окружающей среды приводит к смещению положения максимума спектральной характеристики и изменению мощности излучения. Наибольшая стабильность мощности характерна для арсенид-галлиевых светодиодов, питаемых от генераторов тока.

На рис. 3.2, а при­ведена структура светодиода. Слой GaAs с р‑проводимостью охвачен с обеих сторон слоем р-типа Al_xGa_1-xAs и слоем n‑типа Al_yGa_1-yAs. Подобная конструкция называется двух­слойной гетероструктурой. Из слоя n-типа в слой GaAs инжек­тируются электроны, но, как показано на рис. 3.2, б, из-за энер­гетического барьера (гетеробарьера) в области гетероперехода слоя GaAs и слоя р-типа электроны не рассеиваются в слое р-типа, а накапливаются в слое GaAs и затем пе­реходят в зону валент­ных электронов, генери­руя спонтанное излуче­ние. Слой GaAs, излуча­ющий свет, называется активным слоем. А оба боковых слоя AlGaAs на­зываются слоями обо­лочки. Излучаемый свет, в связи с тем что энер­гия запрещенной зоны в обоих слоях оболочки больше энергии актив­ного слоя, не поглощается электронами валентной зоны слоев оболочки (т. е. излучение не используется для возбуждения этих электронов и пере­хода их в зону проводимости), а проходя через эти зоны, из­лучается наружу.

Как показано на рис. 3.3, а, существуют светодиоды боко­вого излучения, которые излучают свет перпендикулярно по­верхности перехода, и светодиоды высокой яркости (SLD – Super Luminescent Diode) с торцевым излучением, которые излучают свет параллельно поверхности перехода. Последние по сравнению с первыми обладают большой мощностью излучения и используются в качестве источников света для датчиков, в ко­торых не требуется когерентность света. Кроме того, они используются вместо лазера в тех случаях, когда высокая когерентность может оказаться помехой вследствие, например, шумов, индуцированных обратным лучом полупроводникового лазера.

а б

Рис. 3.2. Светодиод: а – структура; б – энергетические зоны

а б Рис. 3.3. Структура светодиода с боковым излучением (а) и повышенной яркости с торцевым излучением (б)

Одной из основных характеристик AlGaAs-светодиода явля­ется мощность излучаемого света (обычно от нескольких до 100 мВт при инжекционном токе 100  200 мА и примерно про­порциональна ему). Длина волны центра спектра 730  900 нм, а ширина спектра 30  60 нм. Для повышения эффективности к светодиоду приклеи­вается миниатюрная линза или подложка светодиода обрабаты­вается в форме выпуклой линзы.

Светодиоды на основе соединения InGaAsP тоже в боль­шинстве случаев имеют двухслойную гетероструктуру. Их мощ­ность излучения 1  3 мВт, длина волны центра спектра 1,1  1,5 мкм, ширина спектра 100  200 нм. Долговечность даже при температуре 60°С может превышать 10⁹ ч, т. е. надежность выше, чем у AlGaAs-светодиодов.

Особый класс излучающих диодов составляют так называемые лазерные диоды (полупроводниковые лазеры), но до их рассмотрения следует ознакомиться с особенностями лазерного излучения.