6.5.6 Полупроводниковые лазеры
Лазером в широком смысле называют квантовый генератор монохроматического излучения оптического диапазона волн. Рабочее тело лазеров может быть выполнено:
из газа (на основе азота, аргона, гелия и неона, криптона, ксенона и прочего),
на красителях (кумарине, родамине, гексацианине 3, крезиле фиолетовом и других),
твердотельным (лазером, использующим александрит или титан-сапфир, рубиновым и прочим),
на полупроводниках (лазеры с квантовыми ямами, лазеры с гетероструктурой на основе арсенида галлия, с раздельным удержанием и другие),
Основой лазерного диода выступает специально подготовленный электронно-дырочный переход плоскостной конструкции, полученный в полупроводнике электронного типа проводимости, например, из арсенида галлия. Кристалл полупроводника обычно имеет размеры по длине, ширине и высоте менее 500 × 400 × 100 мкм. Упрощённая конструкция лазерного диода без соблюдения пропорций показана на рисунке 30.
Рисунок 30 – Конструкция полупроводникового лазера и внешний вид
Лазерные диоды нашли широкое применение в спектрографах, лазерных прицелах и дальномерах, их применяют в лазерных принтерах и в медицинских приборах для исследования сетчатки. Лазерные диоды входят неотъемлемой частью системы считывания, стирания и записи информации на лазерных дисках.
6.5.7 Фотодиоды
Фотодиодом называют фотогальванический приёмник с электронно-дырочным переходом, облучение которого светом вызывает увеличение силы обратного тока. Материалом полупроводника фотодиода обычно выступает кремний, сернистое серебро, сернистый таллий или арсенид галлия. Фотодиод устроен так же, как обычный плоскостной диод, а отличие состоит в прозрачном окне, которое организовано в корпусе фотодиода напротив областей электронного либо дырочного типов проводимостей в полупроводниковом кристалле. Таким образом, через это окно свет попадает внутрь фотодиода и облучает одну из областей электронно-дырочного перехода. Фотодиоды могут быть использованы в одном из двух включений: вентильном или фотодиодном.
Рисунок 31 – Принцип работы, обозначение и внешний вид фоторезисторов
Рассмотрим фотодиодное включение компонента. Последовательно с фотодиодом включим нагрузочный резистор и источник питания, подсоединённый плюсом к катоду фотодиода, а минусом к аноду. Пока облучение окна отсутствует, через фотодиод протекает маленький обратный ток Ф0, который называют темновым током, силой от единиц до нескольких десятков микроампер. Это отражено на вольтамперной характеристике фотодиода, показанной на рисунке 32.
Рисунок 32 – Вольт – амперная характеристика фотодиода
Облучим кристалл слабым световым потоком, к спектру которого будет чувствителен фотодиод, отчего возникнет генерация электронов и дырок, и обратный ток станет больше (Ф1 > Ф0). Ток, протекающий через нагрузочный резистор, возрастёт. Если световой поток станет ещё значительнее, то соответственно возрастёт и обратный ток фотодиода (Ф2 > Ф1). Пропускаемый по нагрузочному резистору ток станет ещё существенней. Очевидно, что сила тока, протекающего по резистору, и падение постоянного напряжения на нём зависят от величины светового потока.
В вентильном включении внешний источник питания не используют, а к выводам фотодиода подсоединяют нагрузочный резистор. Под действием светового потока возникает фотогенерация носителей заряда и фото-ЭДС, на выводах фотодиода появляется постоянное напряжение. Это напряжение подводят к нагрузочному резистору, через который течёт электрический ток.
Рисунок 33 – Вентильное включение фотодиода
Фотодиоды обладают продолжительным сроком наработки на отказ, высокой чувствительностью к регистрируемому излучению, обладают малыми массой и габаритами.