7. Светодиоды
Светодиодом называют такой полупроводниковый компонент, в котором рекомбинацию носителей зарядов сопровождает испускание квантов некогерентного света. При протекании тока через светодиод в прямом включении электроны преодолевают электронно-дырочный переход и рекомбинируют, переходя на более низкие энергетические уровни и испуская кванты света. Для изготовления светодиодов пригодны далеко не всякие полупроводники, а только групп AIIBVI и AIIIBV, такие как арсенид галлия, фосфид индия и прочие. Подходящие полупроводники имеют достаточно широкую запрещённую зону, чтобы длина излучаемой волны лежала в заданной области спектра. К наиболее важным характеристикам светодиодов относят спектральную и яркостную характеристики. Спектральная характеристика – зависимость вырабатываемой мощности светового потока от длины волны. А яркостная характеристика – это зависимость мощности светового потока от силы тока, протекающего по светодиоду в прямом включении.
К достоинствам светодиодов относят механическую прочность, длительное время наработки на отказ, часто превышающее десять тысяч часов, низкое прямое напряжение, составляющее до нескольких вольт, малую стоимость, возможность функционирования в широком диапазоне температур. Технология изготовления светодиодов не подразумевает обязательного использования сильно токсичных веществ, что также относят к достоинствам.
Недостаток индикаторных светодиодов для аппаратуры широкого потребления заключён в обычно невысоком КПД, составляющим от долей до нескольких процентов.
Светодиоды используют для индикации состояния аппаратуры, а мощные светодиоды применяют для освещения.
8. Полупроводниковые лазеры
Лазером 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),
либо тело может быть специфическим, и реализованным на перегретой плазме, на свободных электронах, на солитонах и подобных объектах.
Полупроводниковые лазеры используют, например, для производства лазерных диодов. 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 рис. 5.
Рис. 5. Конструкция лазерного диода
Грани пластинок полупроводника, между которыми образован электронно-дырочный переход, образуют резонатор Фабри-Перо, и играют роль зеркал для попавших в него фотонов, которые будут отражены от нескольких сотен раз до нескольких тысяч раз, прежде чем его покинут. Изначально концентрация электронов на верхних энергетических уровнях изначально ниже концентрации электронов на нижних энергетических уровнях. Если подсоединим лазерный диод к внешнему источнику питания в прямом включении, то возникнет инжекция электронов в область дырочной проводимости и их рекомбинация на границе электронно-дырочного перехода, который обладает протяжённостью часто менее 2 мкм, сопровождаемая выделением квантов света – фотонов. Концентрация электронов на верхних энергетических уровнях возрастает и начинает превышать концентрацию электронов на нижних энергетических уровнях. Произойдёт множество отражений от резонатора, в течение которых индуцирующие фотоны инициируют ещё большее увеличение рекомбинации и породят новые индуцированные фотоны. Таким образом, фотоны образуют монохроматическое световое излучение «L», которое через окно в корпусе покидает лазерный диод.
Следует заметить, что лазеры используют почти всецело для генерации, но не для усиления колебаний. 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.