7.2. Джерела оптичного випромінювання

7.2.1.Люмінесценція

Найпоширенішими напівпровідниковими джерелами оптичного вимірювання є електролюмінісцентні індикатори, світлодіоди та лазери.

Принцип дії таких напівпровідникових приладів ґрунтується на властивостях деяких напівпровідників створювати електромагнітне нетеплове випромінювання, тривалість якого значно перевищує період світлових коливань. Таке явище називають люмінесценцією. Отже, на відміну від світіння розжарених тіл для люмінесценції не потрібне нагрівання. Крім того, люмінесценція продовжується ще деякий час після вимкнення збуджувальної енергії. Якщо цей час більший ніж 10^–3 c, явище називають фосфоресценцією, а якщо менший – флюоресценцією. Люмінесценція має два основні етапи. На першому етапі в них під дією збуджувальної енергії відбувається генерація носіїв заряду, на другому – генеровані носії заряду рекомбінують. Енергія, яка виділяється, перетворюється або в оптичне випромінювання, або в теплоту.

Для виникнення люмінесценції в напівпровіднику його атоми мають бути виведені із стану термодинамічної рівноваги, тобто бути збуджени­ми. Залеж­но від зовнішніх чинників, що зумовлюють збудження атомів, розрізняють: електролюмінесценцію (електричним полем); катодолюмі­несценцію (бомбардуванням напівпровідника електронами); фотолюмі­несценцію (освітлюванням) тощо.

Акти поглинання енергії напівпровідником та випромінювання квантів світла, які властиві люмінесценції, розподілені в часі (а можливо і в просторі) проміжними процесами, внаслідок чого світіння напівпровідника триває навіть після припинення збудження.

Випромінювальна рекомбінація носіїв заряду може відбуватися мимоволі (спонтанно) або вимушено (індуковано). Спонтанне випромінювання є некогерентним (неорганізованим) і забезпечує розподіл енергії в широкому частотному діапазоні (спектрі). Індуковане випромінювання є монохроматичним або когерентним (організованим). Джералами некогерентного випромінювання є випромінювальні діоди та електролюмінесцентні індикатори, когерентного – лазери.

Основними характеристиками джерела світла в оптоелектронному колі є залежність яскравості від керувальної напруги або струму В = f(U, I), а також від довжини хвилі висвічування В = f(λ). Це яскравісна та спектраль­на характеристики.

Важливою характеристикою джерела світла є також діаграма напрямленості В = f(Q), яка визначає залежність яскравості від кута у просторі Q, відрахованого відносно осі джерела.

7.2.2. Електролюмінесцентні індикатори

Структуру електролюмінесцентного індикатора показано на рис. 7.2. Конструктивно такий прилад виготовляють у вигляді конденсатора, діелектриком якого служить люмінофор.

Рис. 7.2. Структура електролюмінесцентного індикатора

Як люмінофор використовують сполуку цинку і кадмію із сіркою та селеном і, особливо, сульфід цинку ZnS, активований домішками міді, алюмінію, марганцю. Під дією наростаючого електричного поля атоми домішок переходять у збуджений стан, а зі зменшеням поля частина енер­гії, яку вони поглинули, випромінюється у вигляді квантів світла. Світлове випромінювання сульфіду цинку залежно від типу та кількості введеного в нього активатора знаходиться в діапазоні довжин хвиль від 0,45 (голубе світло) до 0,6 мкм (жовто-оранжеве світло).

Яскравість залежить від частоти f та амплітуди напруги накачування U_нак.. Для одержання достатньої яскравості (30...40 кд/м²) необхідна напруга амплітудою не менше ніж 220...250 В при частоті 400 Гц...10 кГц. При цьому споживається потужність до 30 мВт на кожний квадратний сантиметр випромінювальної поверхні.

Простота побудови електролюмінесцентних конденсаторів зумовила їх широке використання в системах відображення інформації.

Промисловість випускає різні типи електролюмінесцентих індикаторів з габаритними розмірами області люмінесценції від 1115 до 116176 мм. Найпоширенішими є літерно-цифрові електролюмінесцентні індикатори, в яких знаки та цифри синтезуються з різних комбінацій збуджених сегментів, зазвичай їх 7, 8, 9. Для висвічування всіх цифр і букв українсько­го та латинського алфавітів створено індикатор з 19 сегментами. Для відображення статичної та квазістатичної інформації на великих екранах за допомогою електролюмінесцентних індикаторів створюють мнемосхеми, на яких висвічуються схеми, карти, різні об’єкти. Залежно від ситуації їх можна доповнювати літерами, цифрами, особливими мнемонічними знаками (сектором, стрілкою та ін.). За допомогою відповідної комутації виводів можна змінювати колір знака або поля.

На основі електролюмінесцентних індикаторів створено багаторозрядні табло, а також точково-растрові індикаторні панелі з роздільною здатністю понад 10 рядків на 1 см із загальною кількістю рядків понад 700. Електролюмінесцентні індикатори застосовують як джерела світла в оптронах. Довговічність таких приладів – від 1000 до 5000 год.

Недоліком електролюмінесцентних індикаторів є потреба в потужному джерелі накачування підвищеної частоти, а також значна інерційність (10^–3 с); це обмежує їх застосування у функціональних колах оптоелектроніки.

Електролюмінесцентні плівкові випромінювачі відрізняються від електролюмінесцентних порошкових тим, що в них між двома електродами знаходиться однорідна полікристалічна плівка електролюмінофора, яка створюється термічним випарюванням у вакуумі. Оскільки в таких індикаторах немає діелектричної зв’язки в електролюмінофорі, вони можуть працювати і на постійному струмі. Товщина плівки – мала. Тому робочі напруги таких випромінювачів становлять 25...30 В. Малі розміри окремих кристалів люмінофора забезпечують більшу роздільну здатність.

Електролюмінесцентні плівкові індикатори поступаються електролюмінесцентним порошковим за економічністю, терміном служби і мають значний розкид параметрів. Роботи з вдосконалення електролюмінесцентних індикаторів продовжуються і спрямовані, зокрема, на створення на їх базі твердотільних аналогів кольорових електронно-променевих приладів.