2.15. Өткелдер типтері және сәулеленуші шалаөткізгіш құрылымының сипаттамасы.
2.24-суретте шалаөткізгішпен жұтылған энергиялардың электрондық өткелінің схемасы келтірілген. Сәуле шығарушыларда кері өткел пайдаланады, соның арқасында әр түрлі EG тиым салынған зона енімен әртүрлі қоспада электрон энергиясы азаяды.
1-зонаралық өткел деп аталады. 0,38...0,78 мкм диапазондағы сәулелендіруді алу үшін тиым салынған зонасының ені EG = 1,6...3 эВ тең тік зоналы шалаөткізгіштер пайдаланылады.
2,3,4-өткелдері – центрлі жарықтандырылған қоспа деңгейлі сәулелендірушілер. 2 – өткел өткізу зонасындағы электрондарды рекомбинацияны, сонымен қоса валентті зонадағы лездік акцептор деңгейін сондағы есіктер арқылы жүзеге асырады.
3 – өткел донорлық немесе акцепторлық қоспа деңгейіндегі рекомбинацияның болуына сай келеді.
4 – өткел бұл электронның қоздырылған деңгейден негізгі центрленген қоспа шегіне өтуі. Fe, Co, Ni қоспалар өшіру центрі арқылы шағылыспай өтуге алып келеді.
5 – өткел төменгі температурада және жоғары қозу деңгейінде болады, сонымен қатар экситонды күйдегі рекомбинацияға сай келеді.
Шалаөткізгішті құрылымды фотондарды жіберу эффектісі сәулелендіруші диодтарда қолданылады. Сәулелендіруші диодтар сәулелендіруші ретінде көптеген индикациялы жүйелерде информацияны көрсету, талшықты оптикалық желі байланысында және көптеген құрылғыларда пайдаланылады; сонымен қатар диод жеке бір құрылғы ретінде байқалады. Мысалға дискретті оптоэлектронды құрылғы немесе бөлек оптоэлектронды құрылғылардың ішінде оптопар ретінде болады.
Келесі жағдайда сәулелендіруші құрылым бір мезетте сәулеленудің жоғары қуатын, максималды ширек диаграмма бағытын және жоғары жылдамдықта қимылдауын қамтамасыз ету керек. Тек осы жағдайлардағы параметрлерде ғана сәулелендіруші оптопарлардың фотоқабылдағышымен жақсы келісімде болады және оптопарлардың сипаттамасы оптималды. Оптопарлардың құрамына кірмейтін сәулелендіруші диодтар үшін сәулелендіруге бағытталған талаптар төмен болып келеді. Сонымен қатар жарық шығарушы диодтар төменгі жылдамдықта қимылдауда болуы мүмкін, дәлірек айтсақ электр энергиясы жарыққа айналдыруда бәсең жылдамдықта жүзеге асуы.
Визуалды немесе визуалды емес сәуле шығарушы диодтар жарықтық немесе энергетикалық параметрлермен сипатталады . Визуалды информацияны жіберуде (таңбалы индикаторларда жазуларды жарықтандыруда және жіберуші тетіктерде т.б.) қабылдағыш ретінде адамның көзін алуға болады. Визуалды емес информация жіберуде диодтан шыққан сәуле инфрақызыл диапазонда таралғандықтан оны адам көзі көре алмағандықтан физикалық фотоқабылдағышпен көреміз. Визуалды еместі қолдану аясына мысал келтіретін болсақ, есептеуіш машинадағы перфокарт және перфолентадан оқитын құрылғы, байланыстың және сигнализациялардың барлық мүмкіндікті оптикалық құрылғылары т.с.с. сәулелендіруші диодтың эффективтігін оптикалық сәулеленудің диодтағы тура токқа және сәулеленудің толқын ұзындығына тәуелділік параметрлерімен сипаттайды.
ИК – диодтар үшін сәулелендіруші сипаттамасы сәуле ағынының Фе тура токқа Iпр тәуелділігінің байланысымен көрсетіледі. Бұл 2.25 суретте келтірілген.
2.25-сурет. СИД сәулелендіру сипаттамасы: 1-қисық жоғарғы шкала; 2-қисық төменгі шкала.
Жарық сәулелендіруші диодтар үшін сәулелендіру сипаттамасы жарық күігің IV тура токка Iпр тәуелділігімен беріледі. Электрлік режим параметрі ретінде диодта кернеудің түсуінің орнына диодтағы тура ток алынған. Бұл сәулелендіруші диодта p—n өткелі тура қосылумен және диодтың электрлік кедергінің аздығыен байланысты. Сондықтан сәулеленуші диодтағы тура ток сырттан тура беріліп, кең диапазонда өзгереді және оңай өлшенеді.
Iпр аз ток болғанда шағылыспайтын рекомбинацияланған токты құраушы бөлігі жоғары болады және инжекция коэффициенті аз.
Тура токтың өсуімен сәулелену ағыны диод тогында диффузионды ток құраушысы пайда болғанша тез өсе береді. Iпр тогының ары қарай өсе беруі ақырындап люминесцент орталығының немесе центрінің қанығуына және диодтың сәулелендіруінің төмендеуіне әкеліп соғады. Сонымен қоса токтың өсуі рекомбинацияның соқтығысуының артуына алып келеді және мұнда сәулелендіру қасиетінің төмендеуіне әкеледі.Осы механизмдерді сәулеленуге әсерін ескере отырып сәулелену токтың кейбір жағдайында максималды болатынын көреміз. Сонымен қатар сәулеленудің максималды күші p-n өткелдің геометриялы сәулелендіру және оның ауданына, электрлік контактілердің өлшемдеріне тәуелді.
Толқын ұзындығының оптикалық сәулелендіру параметрлеріне тәуелділігін сәулелендіруші диодтың спектралды сипаттамасы деп аталады. Сәулеленудің толқын ұзындығы екі энергетикалық деңгейдің арасында люминесценцияда электрондардың өткелі жүзеге асуымен сипатталады. Тиым салынған зонаның енінің әртүрлі болғандығынан әртүрлі материалда сәуле шығару ұзындығы түрліше болып келеді. Спектралды сипаттаманың мысалы 2.26-суретте келтірілген.
2.26-сурет. СИД фотодиодының , көздің спектралды сипаттамалары
Заряд тасымалдаушылар рекомбинациясы кезінде электрондардың ауысулары екі энергетикалық деңгейдің арасында емес, екі энергетикалық деңгей тобының арасында болғандықтан спектр сәулесі бұлыңғыр болып келеді.
Сәуле шығарушы диодтың спектралды диапазоны өлшенетін IV максимал ток күшінің жартысына тең ∆λ0,5 спектр сәулесінің енімен сипатталады. Көптеген жарық диодының сәулелендіруі квазимонохроматикалық түріне (∆λ/λmax << 1) жақын және кеңістікте таралудың жоғары қуатына ие болады.
Жарық диодының қаншалықты эффективті болуына және одан шығатын жарық қаншалықты жоғары қуатпен шыққанына қарамастан және жарық толқынының спектр сәулесіне сай келмесе ол фотоқабылдағышта тіркелмейді және фотоқабылдағыш оны ескермейді. Көптеген жағдайда жарықтандырғыш диод адамның көзіне байқалатын немесе кремнийлі фотоқабылдағышпен келісімді болуы қажет. Адамның көзі қысқа спектр диапазонын, 0.4...0.7 мкм пайдалы ауданды ғана көреді. «Жарықтандырғыш-фотоқабылдағыш» құрылғыларының эффективті жұмыс режимінде болулары үшін спектралды сипаттаманың келісімді диапазонында болулары қажет.
Мысалға, адамның көзі мен GaAsP негізінде жаасалған жарық шығарушы диодтың келісімді болуы V(λ) көздің жарық эффективтілігіне қатысты туындауы және жарық шығарушы диодтың кванттау шығыны максималды болып келетіндей толқын ұзындығын тудырады.
Бұл максимум λ= 655 нм болғанда жетеді. Бұл 2.27-суретте қызыл жарық шығаруында көрсетілген.
2.27-сурет. Светодиод сипаттамалары спектрлерінің сәйкестіктері және жарықтық эффективтілік сәйкестігі
Жарық шығарушы диод қысқа толқынды ұзындық жарықтандыруында (мысалы, λmax =
= 565 нм жасыл жарық және λmax = 585 нм сары жарық ) ƞ қалыпты жағдайда қызыл жарықты жарықтандыратын диодтан әлдеқайда аз болады. Бірақта мұндай толқын ұзындығында көздің қатысты сезімталдығы жоғары. Осыған орай қызыл және жасыл жарықтандыру аралығында болатын жарық шығарушылардың жиынтығын алуға болады. Оларда V(λ)ƞ туындылары бірдей болады. 2.27-суретте қатысты бірлікте адам көзі және фотодиод сезетін спектралды сипаттамалардың салыстырмасы көрсетілген. Жарық шығарушы диод пен фотоқабылдағыштың спектралды келісімділігін ерекше сызып қою керек. Бір жағынан мұндай келісімділік жеңілдетіледі, себебі жарық диодының спектралды диапазоны V(λ) спектрінен әлдеқайда кеңірек. Ал келесі жағынан спектралды келісімділік ені «жарықтандырғыш-фотодиод»-тың эффективті жұмыс жасауында шешуші рөлін атқармайды.