3.2. Джерела (випромінювачі) світла

Квантова система може випромінювати енергію мимоволі (спонтан­но) або вимушено (індуковано). Спонтанне випромінювання квантових систем є некогерентним (неорганізованим). При такому випромінюванні енергія розподіляється в широкому частотному спектрі. Індуковане випромінювання є монохроматичним або когерентним (організованим). При цьому світлові хвилі мають ту саму частоту й той самий напрям поширення. Джерелами некогерентного випромінювання є випроміню­ючі діоди (світлодіоди), когерентного-лазери. Названі джерела світла знаходять найширше застосування в проектуванні оптоелектронних пристроїв та систем.

Оптичне випромінювання, зумовлене збудженням електронів у ма­теріалі внаслідок зовнішньої дії, називається люмінесцен­цією. Тіла, які мають люмінесцентні властивості, називаються лю­мінофорами. В залежності від джерела збудження люмінофори поділяють на електролюмінофори, фотолюмінофори, катодолюміно­фори та рентгенолюмінофори. В оптоелектроніці найпоширеніші електролюмінофори, які являють собою напівпровідник із заданою структурою та домішками. Світіння таких люмінофорів спричинюється або струмом, що протікає через елемент, або прикладеним до елемента електричним полем. Електролюмінофори використовуються в електролюмінісцентних конденсаторах та світлодіодах – найбільш перспективних керованих джерелах світла. ­

Основними характеристиками джерела світла в оптоелектронному колі є залежність яскравості від керуючої напруги або струму В = B (U, I), а також від довжини хвилі висвічування В = В (λ), які зображають яскравісну та спектральну характеристики. Специфічною характеристикою джерела світла е діаграма напрямленості В = В (θ), яка описує залежність яскравості від кута в просторі θ, відрахованого відносно осі джерела. В різних випадках використовують вольт-ам­перну, перехідну та частотну характеристики, як і в разі радіоелек­тронних пристроїв.

Електролюмінісцентні конденсатори. Названі вище джерела світла конструктивно виготовляються у вигляді конденсатора, діелектри­ком якого служить електролюмінофор. Як люмінофор, застосовують напівпровідникові структури типу А₂В₆ (з’єднання елементів другої та шостої груп періодичної системи), серед яких приоритетне використання знаходять з'єднання цинку і кадмію з сіркою та селеном і, в особливості, сульфід цинку ZnS, активований домішками марганцю, міді, алюмінію. Світлове випромінювання сульфіду цинку в залежності від типу та кількості введеного в нього активатора лежить в діапазоні дов­жин хвиль від 0,45 (голубе світло) до 0,6 мкм (жовто-оранжеве світло).

Одна з можливих конструкцій електролюмінісцентного конденса­тора, який являє собою багатошарову структуру, показана на рис. 3.1. На підкладку 1 послідовно наносяться: провідник 2 (нижня прозора обкладка конденсатора), шар електролюмінофора 3, захисний шар ла­ку або діелектричний прошарок з оксиду (двооксиду) кремнію 4 та шар провідника 5 (верхня обкладка конденсатора). Провідникові ша­ри - це оксид и металів.

Якщо прикласти між зовнішніми обкладками напругу, то в шарі електролюмінофора електричне поле збуджуватиме явище електролюмінісценції. Виводять світлове випромінювання з боку підкладки, зробленої з прозорого матеріалу - слюди або скла.

Типова характеристика яскравості електролюмінісцентних конденсаторів зображена на рис. 3.2. В діапазоні зміни яскравості на два-три порядки від дуже низьких рівнів до значення В_mах (відрізок аб) ця характеристика добре описується емпіричною формулою вигляду

(3.1)

де U - збуджуюча напруга; k, b - коефіцієнти, які залежать від час­тоти збуджуючої напруги. В логарифмічному масштабі співвідношен­ня (3.1) - пряма лінія:

ln В = ln k - bln (U)^1/2, (3.2)

Максимально допустима напруга конденсатора – U_mах та відповід­на йому максимально допустима яскравість В_mах залежать від строку служби конденсатора.

Електролюмінісцентні конденсатор и використовують як джерела світла в оптронах, а також в малогабаритних індикаторних табло та екранах, в елементах пам'яті з великою густотою пакування елементів. Плівкова структура таких конденсаторів дозволяє використову­вати для їх виготовлення інтегральні методи. Електролюмінісцентні конденсатори, що виготовляються серійно, працюють на змінній на­прузі.

Слід зазначити, що інерційність джерела світла на основі напівпро­відникових структур типу А₂В₆ значна і становить 10^-3 с. Це стримує широке застосування електролюмінісцентних конденсаторів у функціо­нальних колах оптоелектроніки.

Світлодіоди. Використання напівпровідникових матеріалів типу А_ЗВ₅ дозволило значно зменшити інерційність та збільшити швидкодію електролюмінісцентних джерел світла. До таких матеріалів належать фосфід та арсенід галію (GаР, GаАs), які застосовують при виготовленні некогерентних джерел світла, що називаються світлодіодами. Пер­спективним матеріалом для світлодіодів є карбід кремнію (SіС).

Світлодіоди перетворюють енергію електричного поля в нетеплове оптичне випромінювання. Основою світлодіода є p-n-перехід, який зміщується джерелом напруги в прямому напрямі. При такому змі­щенні електрони із n-області напівпровідника інжектують у p-область, де вони є неосновними носіями заряду, а дірки - в зустрічному на­прямі. Далі відбувається рекомбінація зайвих неосновних носіїв за­ряду з електричними зарядами протилежного знака. Рекомбінація електрона та дірки (див. рис. 1.1, 6) відповідає переходу електрона з енергетичного рівня Е_C на енергетичний рівень Е_V з меншим запасом енергії. В германію та кремнію ширина забороненої зони невелика (див. п. 1.1), і тому енергія, що виділяється при рекомбінації, переда­ється, в основному, кристалічним граткам. Рекомбінаційні процеси в арсеніді галію, фосфіді галію, карбіді кремнію, що мають велику ши­рину забороненої зони (наприклад, для GаАs ΔЕ = 1,38 еВ), супро­воджуються виділенням енергії у вигляді квантів світла, які частково поглинаються об’ємом напівпровідника, а частково випромінюються в зовнішній простір. Зовнішній квантовий вихід фіксується зором. Змі­нюючи склад твердих речовин вибраних напівпровідників, можна змінювати довжину хвилі випромінювання, розраховану на існуючу чутливість фотоприймачів.

Тепер виготовляються, в основному, дві конструктивні різновидності світлодіодів: плоска з планарною структурою випромінюючого p-n-переходу (рис. 3.3, а) та напівсферична з мезаструктурою випромінюючого p-n-переходу (рис. 3.3, 6). Світло, яке генерується поблизу p-n-переходу, Поширюється прямолінійно у всіх напрямах. Техноло­гія виготовлення p-n-переходу близька до стандартної мікроелект­ронної технології.

Основними характеристиками світлодіодів є вольт-амперна харак­теристика I_F =ƒ(U_F), а також залежність потужності та яскравості випромінювання від прямого струму Р =ƒ₂ (I_F) та В = ƒ₃(U_F). Вольт­-амперна характеристика аналогічна характеристиці діодів універсального призначення (рис. 1.9, 6). Дві інші характеристики зображені на рис. 3.4, а, б. Потужність та яскравість випромінювання зде­більшого визначається конструкцією світлодіода. Чим більший струм можна пропустити через діод при допустимому його нагріві, тим більші потужність та яскравість випромінювання. Збільшення потужності та яскравості випромінювання з ростом струму зумовлене тим, що інтенсивність спаду надмірної концентрації неосновних но­сіїв заряду в результаті рекомбінації пропорційна їх початковій кон­центрації, яка тим більша, чим інтенсивніший процес інжекції, а от­же, чим більший струм І_F. При цьому спад початкової концентрації відбувається за законом

n = n₀e^-t/τ , (3.3)

де - час життя неосновних носіїв заряду.

До основних параметрів світлодіода належать потужність випромінювання Р, довжина хвилі λ та ККД. Довжина світлової хвилі, що визначає колір світла. залежить від перепаду енергії ΔЕ_р, між рівня­ми якої здійснюється перехід електронів

λ = h/ΔЕ_р, (3.4)

де h = 1,054. 10^-34 Дж·с - стала Планка. Для арсеніду галію ΔЕ_р = ΔЕ. А в фосфіді галію та карбіді кремнію оптичні переходи здій­снюються. в основному між домішковими рівнями і ΔЕ_р < ΔЕ. ККД світлодіода визначається відношенням потужності випромінювання діелектричної потужності, яка підводиться до діода і дорівнює при­близно 0,1 ...1 %.

Світлодіоди застосовуються для індикації та виводу інформації в мікроелектронних пристроях. Керовані світлодіоди використовуються для заміни стрілкових пристроїв як аналоги оптичних індикаторів на­стройки радіоприймачів та ін. Крім того, світлодіоди застосовуються, як джерела світла в оптронах.