КиОЭ / КиОЭ норм

1. Спонтанные переходы, коэффициент Энштейна для спонтанных переходов.

Спонтанное испускание возникает следствии спонтанного, т. е. самопроизвольного квантового перехода атома из возбужденного состояния в основное или другое возбужденное состояние с меньшей энергией. В квантовой электродинамики доказывается, что спонтанные переходы возникают вследствии взаимодействии электронов в атоме с так называемым фотонным вакуумом или нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Управлять этим процессом невозможно, т. к. спонтанный переход происходит произвольно. Значение коэффициента Энштейна Аmn для переходов в оптическом диапазоне может изменяться от для разреш. переходов до 1 и более для запрещенных переходов. Электромагнитное излучение, обусловленное спонтанными переходами в коллективе атомов, называются спонтанным излучением. Спонтанное излучение ненаправленно, некогерентно, неполяризованно и немонохроматично. Такое естейственное излучение испускают люминесцентные лампы и накаливания.

3. Уширение спектральных линий излучения и поглощения и физические причины его обуславливающие.

Распределение интенсивности излучения (или поглощения) по частоте в пределах данной линии характеризуется функцией q(w), которая называется форм-фактором спектральной линии или просто формой линии. Для характеристике относительной ширины спектральной линии используют понятия добротности спектральной линии, которая численно равна отношению резонансной частоты w0 в максимуме линии к ее ширине dw на уровне половинной интенсивности. Естественное уширение. Это уширение связано с конечностью времени пребывания атомов и молекул в возбужденном состоянии, что, приводит к «размытию» энергетического уровня. Чем больше вероятность спонтанного испускания Amn, тем больше естественная ширина спектральной линии. Доплеровское уширение. Эффект Доплера есть изменения частоты (длины волны), наблюдаемое при движении источника волн относительно приемника. Частота излучения увеличивается, если источник приближается к наблюдателю, и уменьшается, если он удаляется от него. Хаотичность теплового движения атомов и молекул в газе приводит к тому, что вместо одной резонансной линии с частотой w0 приемник воспринимает совокупность плотно расположенных линий, огибающая которых дает наблюдаемый контур спектральной линии. Если излучатель движется внутри области меньше длины волны, то его движение не влияет на наблюдаемую частоту излучения, т. е. эффект Доплера не проявляется. Уширение вследствие столкновений. Столкновения атомов с другими атомами, ионами, свободными электронами или стенками сосудов в газе, а также взаимодействие атомов с решеткой в твердых телах приводят к увеличению скорости обмена энергией между частицами и соответственно к уменьшению времени жизни атома в возбужденном состоянии. Уширение за счет влияния внутренних и внешних электрического и магнитного полей. Если зеемановское или штарковкое расщепление меньше ширины каждого подуровня, то рядом расположенные подуровни частично перекрываются, вызывая уширение спектральных линий.

5.Усиление света. Почему в термодинамическом равновесии не наблюдается данный процесс?

Для получения усиления необходимо создать в среде инверсию населенностей, для чего нужно вывести систему из состояния равновесия, т. е. возбудить. Если система находится в условиях термодинамического равновесия, то населенности энергетических уровней определяют распределением Больцмана, поэтому в обычных условиях среда всегда поглощает.

8,Способы создания инверсии (накачки).

Усиление электромагнитных колебаний с помощью вынужденного излучения возможно лишь в среде с инверсией населенностей энергетических уровней. Такое состояние активного вещества достигается в термодинамических неравновесных системах с помощью накачки. 1) Накачка вспомогательным излучением. Сущность метода состоит в том, что активное вещество облучают мощным электромагнитным излучением, называемым вспомогательным излучением или излучением накачки. Это излучение выбирают так, чтобы оно поглощалось активным веществом, переводя активные центры из основного в возбужденное состояние. 2) Накачка с помощью газового разряда. Этот метод применяется в газоразрядных лазерах, где возбуждение активных атомов и молекул осуществляется за счет неупругих столкновений, приводящих к обмену энергией частиц в облаке газового разряда. 3) Сортировка частиц. Данный метод используется в приборах СВЧ-диапазона- так называемых в пучковых мазерах. Молекулы рабочего вещества, находящиеся в термодинамическом равновесии в основном и возбужденных состояниях, пространственно разделяют так, чтобы в рабочий объем попадали только возбужденные молекулы. Невозбужденные молекулы выводятся из рабочего пучка. 4) Инжекция неосновных носителей заряда через p-n переход. Этот метод применяется в полупроводниковых инжекционных лазерах и позволяет непосредственно, без промежуточных процессов, преобразовывать электрическую энергию источника в когерентное электромагнитное излучение лазера. 5) Возбуждение частицами высоких энергий. (применяется в полупроводниковых инжекционных лазерах). Пучок предварительно ускоренных электронов направляется на рабочую мишень из активного вещества, вызывая возбуждение и ионизацию активных центров. 6) Химическая накачка. Данный метод применяется в газовых лазерах. Используется ряд химических реакций, протекающих между газообразными веществами, в результате которых конечный продукт реакции оказывается в возбужденном состоянии. 7) Газодинамическая накачка. Этот метод применяется в газовых лазерах и сводится к тому, что рабочий газ, нагретый до высокой температуры, резко охлаждается. Переводя в равновесное состояние, частицы газа задерживаются в наиболее долгоживущих состояниях, в результате чего может быть достигнута инверсия населенностей

6,Энергетические схемы создания инверсии(2,3, и4 уровневые схемы).

2-х уровневая схема. Система из 2-х энергетических уровней Е1 и Е2 из которых Е1 является основным, т.е. заполненным в условиях термодинамического равновесия. В такой системе возможны спонтанные и индуцированные оптические переходы. 3-х уровневая схема. В зависимости от того, между какими уровнями достигается инверсия, различают 3-х уровневые схемы 1-го и 2- го типов. В схемах первого типа рабочий переход заканчивается в основном состоянии, а в схемах 2-го типа- в возбужденном. По 3-х уровневой схеме 1-го типа работает рубиновый лазер, а по схеме 2-го типа работает-гелий-неоновый лазер. 4-х уровневая схема. В этой схеме каналы генерации и накачки полностью разделены, что позволяет получать инверсию населенностей при минимальных уровнях накачки.

3. Вынужденные оптические переходы, коэффициент Энштейна для вынужд. Опт.пер.

Вынужденные (индуцированные) квантовые переходы происходят под воздействием внешнего возмущения, которым является электромагнитное излучение. Вероятность таких переходов пропорциональна интенсивности возмущения. Здесь Вnm-коэффициент Энштейна для вынужденных переходов с поглощением, р(w)-спектральная плотность излучения. Если атом находится в возбужденном состоянии и на него действует электромагнитное излучение, то это излучение способствует переходу атома в низшее состояние. В результате такого вынужденного перехода атом отдает энергию электромагнитной волне, амплитуда которой увеличивается. Этот процесс представляет собой вынужденное испускание. Здесь Вmn-коэффициент Энштейна для вынужденных переходов с испусканием. Важным является, то, что фотон, появившийся в результате вынужденного испускания, неразлечим с фотоном, индуцировавшим этот процесс, т. е. оба фотона имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяются в одном направлении. Поэтому вынужденное излучение, т.е. электромагнитное излучение, возникающее в результате процессов вынужденного испускания в коллективе атомов, является когерентным. Такое излучение в оптическом диапазоне испускают только оптические квантовые генераторы-лазеры.

7,Доказать, что в замкнутой 2-х уровней схеме невозможно добиться инверсии в стационарном и в переходных режимах.

В 2-х уровневых схемах используется в основном оптическая накачка. А следовательно ни при каких условиях, используя оптическую накачку, в 2-х уровневой схеме нельзя в стационарных условиях достичь инверсии и усиления. Еще одно условие: населенность верхнего уровня всегда меньше населенности нижнего уровня, т. е. инверсии населенностей и усиления достигнуто не будет. Полученные результаты однозначно показывают, что по 2-х уровневой схеме квантовые усилители и генераторы с оптической накачкой работать не могут. Инверсию можно получить с помощью метода сортировки частиц.

10,Оптический резонатор, его параметры. Моды резонатора.

Резонатор называют колебательную систему, в которой возможна накопление энергии акустических, механических и электромагнитных колебаний. В объемном резонаторе могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания- собственными колебаниями или модами. Таким образом мода-это собственный тип колебаний резонатора. Мода резонатора представляет собой стационарную конфигурацию электромагнитного поля. Открытый резонатор для оптического диапазона называют оптическим резонатором. Открытом резонатором называют объемный резонатор, отражающие стенки которого не замкнуты.

9,Почему в оптическом диапазоне невозможно использовать объемный резонатор?

При переходе от радиочастот СВЧ-диапазона к оптическим частотам объемные резонаторы начинают терять свои резонансные свойства: приуменьшение длины волны и неизменных размерах резонатора спектр собственных частот сгущается, так что различные типы колебаний накладываются друг на друга и селективные свойства резонатора исчезают.

4.Понятие «инверсия» и «отрицательная температура».

Состояние вещества, при котором населенность верхнего энергетического уровня превышает населенность нижнего энергетического уровня, называется инверсией населенностей. Состояние вещества с инверсией населенностей называют состояние с отрицательной температурой.

11,Основная мода резонатора, ее свойства.

В ряде случаев требуется обеспечить такой режим работы лазера, при котором генерация осуществлялась бы на одной, продольной моде. Такой режим называется одномодовым. Для его осуществления необходимо выделить основную моду при подавлении поперечных мод.

16,Ионные газовые лазеры. Аргоновый лазер.

Выходная мощность Ar-лазера быстро увеличивается с ростом тока разряда в отличии от He-Ne лазеране испытывает насыщения. Поэтому в Ar-лазере можно получить высокие выходные мощности, вплоть до нескольких сотен ватт в непрерывном режиме при диаметре разрядной трубки около одного сантиметра и ее длине до двух метров. Существенном недостатком является очень низкий КПД (0.1…0.01%).

19 рубиновый лазер

был первым квантовым генератором оптического ДИАПАЗОНА. Его активный элемент был изготовлен из кристалла розового рубина с содержанием хрома. Свойства этого материала, применяемо также в квантовых парамагнитных усилителях. матрица обладает хорошими теплофизическими и механическими свойствами. Теплопроводность контура очень высока. При уменьшении она возрастает, так при температуры жидкого азота проводимость выше меди.

23. Инжекционный лазер на гетеропереходе (особенности гетероперехода и, как следствие, особенности конструкции и параметров лазера)

Гетеропереходы представляет собой контакт (переход) на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов (полупроводников), осуществленный в одном кристалле. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путем легирования появляется новая возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещенной зоны и показатель преломления. Именно поэтому применение гетеропереходов привело как к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов, так и к существенному улучшению параметров ранее созданных устройств. В зависимости от скорости изменения основных параметров по координате различают резкие и плавные гетеропереходы. В резком гетеропереходе это изменение происходит на уровне одного или двух-трех молекулярных слоев. В плавном гетеропереходе контактная область простирается на десятки, а иногда и сотни периодов решетки (молекулярных слоев). Если свойства материала изменяются плавно в макроскопическом масштабе, то такой полупроводник называют варизонным полупроводником, а полупроводниковую структуру – варизонной структурой, подчеркивая тем самым плавно изменяющуюся в пространстве ширину запрещенной зоны. Гетеропереход называется изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом электропроводности, и анизотипным, если образующие его материалы обладают различными типами электропроводности. При обозначении гетероперехода принято указывать тип проводимости полупроводника с узкой запрещенной зоной строчными буквами n или p, а полупроводника с широкой запрещенной зоной – прописными буквами N или P. Изотипные гетеропереходы обозначают как n-N или p-P, а анизотипные гетеропереходы как n-P или p-N. Наиболее сильное влияние на отклонение свойств гетероперехода от идеального оказывает различие в параметрах решеток и в температурных коэффициентах линейного расширения материалов, образующих гетеропереход. В отличие от идеального в реальном гетеропереходе на границе раздела всегда присутствуют поверхностные состояния.

К важнейшим эффектам, наблюдаемым в гетероструктурах и определяющим их широкое применение в оптической электронике, относятся: 1) эффект широкозонного окна; 2) эффект односторонней инжекции; 3) эффект сверхинжекции; 4) волноводный эффект.1) Этот эффект позволяет с минимальными потерями вывести излучение, генерируемое в области p-n гетероперехода, через его широкозоную часть; 2) Этот эффект позволяет осуществить преимущественную инжекцию неосновных носителей заряда в ту область p-n перехода, где максимален квантовый выход люминесценции; 3) Узкий положительный потенциальный барьер на гетерогранице электроны свободно проходят за счет туннельного эффекта, попадая затем в потенциальную яму. Эта особенность инжекции в гетеропереходе делает его уникальным по эффективности инжектором, что очень важно для полупроводниковых лазеров; 4)Возбуждение люминесценции электрическим полем может быть осуществлено в неоднородных структурах не только путем инжекции неосновных носителей заряда с приложением к гомо- или гетеро-p-n-переходу напряжения в прямом направлении (этот метод наиболее эффективен), но и другими методами, в том числе с помощью процессов туннелирования через слой изолятора или ударной ионизации в сильных полях.

12,Устойчивость резонатора. Критерии устойчивости.

В устойчивых резонаторах дифракционные потери существенно меньше потерь на частичное пропускание зеркал, а поэтому добротность резонатора для аксиальных (продольных) и неаксиальных (поперечных) колебаний низших порядков слабо зависит от m и n.

17,Газоразрядные лазеры CO2.

Эти лазеры обладают очень высоким КПД, способны генерировать исключительно большие мощности как в непрерывном, так и в импульсном режиме, спектр их излучения совпадает с окном прозрачности атмосферы. Конструкции лазера могут быть весьма разнообразны. В зависимости от метода возбуждения различают газоразрядные и газодинамические лазеры. Эти лазеры можно разделить на 5 типов: 1) лазеры с продольной прокачкой газа 2) отпаянные лазеры 3) волноводные 4) лазеры с поперечной прокачкой 5) лазеры высокого давления с поперечным возбуждением.

21. Полупроводниковые лазеры (энергетическая схема создания инверсий, способы создания инверсий, диапазоны значений основных параметров)

В ППЛ активным элементом является полупроводниковый монокристалл, возбуждаемый либо инжекцией носителей p-n перехода (инжекционные ППЛ), либо пучком электронов высокой энергии (ППЛ с электронной накачкой), либо электрическим разрядом (стримерные ППЛ).

Особенностью ППЛ является использование для лазерной генерации вынужденных переходов между достаточно широкими энергетическими зонами. Быстрые электроны, проникая в глубь кристалла, ионизируют на своем пути узлы решетки. Возникающие «первичные» электроны обладают достаточно большой энергией и способны образовать лавину «вторичных» электронов, концентрация которых спадает при удалении от бомбардируемой поверхности в глубь кристалла. Наиболее заселенными оказываются уровни вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Полупроводник становится активной лазерной средой, когда процессы вынужденного испускания преобладают над процессами поглощения. Такая ситуация возникает при . Соотношение является условием инверсной населенности в собственном полупроводнике для переходов зона-зона. Физический смысл: для создания инверсии в полупроводнике возбуждение должно быть настолько интенсивным, чтобы создать вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

22. Инжекционные лазеры на гомопереходах (принцип работы, параметры)

Инжекционным называется полупроводниковый лазер, активная среда в котором возникает в результате инжекции свободных носителей заряда в область p-n перехода. Активный элемент инжекционного лазера называют лазерным диодом. Бывают гетеро- и гомо-. Гомо- не получили широкого распространения из-за низкого КПД, большого порогового тока, малого срока службы.

Гомопереход, как известно, образуется в полупроводнике за счет искусственно созданного распределения примесей.

13,Типы резонаторов. Гауссовские пучки излучения.

Открытом резонатором называют объемный резонатор, отражающие стенки которого не замкнуты. Плоский резонатор. Резонатор со сферическими зеркалами. Резонаторы с распределенной обратной связью. Кольцевой резонатор. Составные и дисперсионные резонаторы. Неустойчивые резонаторы. На поверхности зеркала в резонаторе со сферическими зеркалами при z=L/2 радиус пучка в sqrt2 раз больше, чем в центре. Пучок, распределения поля в поперечном сечении которого характеризуется функцией Гаусса, называется гауссовым пучком.

18,Общая характеристика твердотельных лазеров.

Активной средой твердотельных лазеров (ТЛ) являются кристаллические или аморфные вещества, содержащие ионы переходных металлов, энергетические уровни которых используются для создания инверсной населенности. Конструкция ТЛ содержит излучатель, предназначенный для преобразования энергии накачки в лазерное излучение и включающий активный элемент, зеркала резонатора и осветитель. Осветитель в свою очередь состоит из источника излучения накачки (лампы накачки) с блоком питания и отражателя. Иногда внутри резонатора размещают элементы управления излучением. В ТЛ применяют некогерентную оптическую накачку. В качестве источников накачки используют газоразрядные лампы импульсного и непрерывного действия – лампы накачки. Эффективность использования ее энергии определяется конструкцией отражателя. Диффузные отражатели – обеспечивают более равномерное распределение энергии излучения лампы накачки по поверхности активного элемента. Зеркальные отражатели – обладают большим коэффициентом отражения, позволяют осуществлять селективное отражение той части спектра излучения лампы накачки, которая приходится на полосы поглощения активного элемента.

14,Атомарные газовые лазеры (на примере He-Ne лазера).

He-Ne лазерах He выполняет функцию вспомогательного газа, а Ne рабочего. Рабочие характеристики He-Ne лазера зависят об общего давления и соотношения компонент газовой смеси, от диаметра и длины газоразрядной трубке, от коэффициентов отражения зеркал и от разрядного тока. Существенным недостатком He-Ne лазера является его низкий КПД (0.1…0.01%). Излучение He-Ne лазера обладает очень высоким качеством.

15,Лазеры на самоограниченных переходах (на примере лазера на парах меди).

Лазеры на самоограниченных переходов обладают большим усилием на единицу длины. Оно существенно выше, чем у He-Ne лазеров. Кроме того, рабочие уровни по энергии расположены ниже, чем в He-Ne лазерах. Поэтому КПД весьма высок. В Cu –лазерах для достижения требуемой плотности паров металла активное вещество должно находится при высокой температуре (1500 гр.). поэтому трубка изготавливается из окиси алюминия, алюминиевой или бериллиевой керамики. Для преобразования атомов меди необходимо диссоциировать молекулы. Естественно, что к источнику питания Cu- лазера предъявляется весьма жесткие требования, в первую очередь по фронтам нарастания импульса.

28. Фоторезистор, принцип работы и параметры

Фоторезистор представляет собой простейший тип фотонного фотоприемника, принцип действия которого основан на фоторезистивном эффекте в однородном полупроводнике. Различают собственные и примесные фоторезисторы. Первые, предназначены для работы в видимой и ближней ИК-областях спектра. Их спектральный диапазон определяется шириной запрещенной зоны используемого материала. Вторые предназначены для работы в средней и дальней ИК-областях спектра и их спектральный диапазон определяется энергией ионизации примеси в полупроводнике. Фоторезистор выполняется в виде тонкой пластинки полупроводника, изготовленного из монокристалла или монокристаллической пленки с омическими контактами. Фоторезистор как фотоприемник характеризуется параметрами, кроме того, его специфическими характеристиками являются темновое и световое сопротивление и их отношение темн/свет, определяемое как кратность изменения сопротивления фоторезистора в темноте и при заданной засветке, а также коэффициент внутреннего усиления фототока. Рассчитывать фототок в общем случае довольно затруднительно, поскольку в фоторезисторе, как и в любом другом фотонном фотоприемнике, необходимо учитывать три основных процесса: 1) генерацию носителей светом, которая происходит неравномерно по толщине фоточувствительности слоя; 2) перенос носителей заряда путем диффузии и дрейфа с возможным их умножением за счет внутреннего механизма усиления тока;

3) взаимодействие тока с внешней цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала. Поэтому для оценки параметров фоторезисторов в большинстве случаев допускают упрощения, предполагая, что: фоторезистор представляет собой параллелепипед; рабочая область фоторезистора освещена равномерно по площади, излучение полностью поглощается в полупроводнике и генерируемые носители равномерно распределяются по толщине d рабочего слоя; дрейф и рекомбинация носителей заряда в объеме характеризуется некоторыми усредненными постоянными значениями подвижности и временами жизни; полупроводник обладает монополярной фотопроводимостью, для конкретности электронной; это означает, что генерируемые дырки быстро захватываются центрами рекомбинации; реализуется высокий уровень возбуждения.

30. Лавинный и pin-фотодиоды, принцип работы и параметры

Pin-фотодиоды. В фотодиоде необходимо совместить область поглощения света с обедненным слоем, чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода. Это реализуется в фотодиодах с pin-структурой, которое являются наиболее распространенным типом фотодетекторов. Наличие центрального высокоомного i-слоя приводит к увеличению ширины слоя объемного заряда по сравнению с обычным p-n-переходом. Его толщина d подбирается так, чтобы поглощение света происходило в этом i-слое, совпадающем со слоем объемного заряда. При приложении обратного смещения U обедненный слой распространяется на всю i-область. Это приводит к уменьшению емкости перехода, повышению чувствительности и быстродействия. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону с постоянной, определяемой показателем поглощения для данной длины волны, вызывает генерацию носителей заряда преимущественно в i-слое. В стационарном режиме плотность полного фототока, протекающего через обратносмещенный p-i-n переход, можно разбить на две части: =плотность дрейфового тока, обусловленного генерацией носителей в i-слое толщиной d + плотность диффузионного тока, обусловленного генерацией носителей в объеме полупроводника за пределами обедненного слоя и их последующей диффузией к области объемного заряда. Наибольшее распространение в оптической электронике получили p-i-n-фотодиоды, изготовленные на основе высокоомного кремния n-типа.

Лавинный фотодиод. При регистрации очень малых световых мощностей (< 1нВт) фототоки будут весьма малы (<1 нА). В этом случае желательно использовать внутреннее усиление в фотоприемнике аналогично тому, как это осуществляется в фотоэлектронном умножителе. В лавинном фотодиоде (ЛФД), являющемся твердотельным аналогом ФЭУ, усиление фототока происходит за счет лавинного умножения генерированных светом носителей заряда в обратно смещенном p-n-переходе. При приложении к p-n переходу обратного напряжения U, близкого к напряжению лавинного пробоя Uпр, энергия носителей заряда, ускоренных электрическим полем, может превысить порог ионизации вещества. Столкновение такого “горячего” носителя с электронами валентной зоны приведет к образованию пары электрон – дырка. Если образовавшиеся вторичные носители тоже ускорятся до энергии, превышающий порог ионизации, то они создадут другие носители и т.д. В результате проводимость нарастает за счет образования лавины носителей заряда. Поглощение фотона является началом процесса, вызвавшего лавину.

31. Многоэлементные фотоприемники (на примере ПЗС-матрицы)

Приемники изображения на ПЗС. Это растровые безвакуумные приемники оптических изображений. Они осуществляют восприятие изображения, его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирования) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. Поэлементное считывание происходит за счет управляемого перемещения макроскопических зарядовых пакетов вдоль полупроводниковой подложки в приборах с переносом заряда при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов. Фотоприемник на ПЗС представляет собой специальную фоточувствительную МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) – микросхему с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика настолько близко друг к другу, что за счет перекрытия электрических полей соседних электродов внутри полупроводника становится существенным их взаимодействие. Электроды в ПЗС-фотоприемной матрице располагаются в виде линейки (строки) или матрицы. Зазор между электродами 1…2мкм и мене. Число электродов в линейке обычно 5*10^2…2*10^3, а в матрице может достигать 10^6 и более. Электроды изготавливаются из алюминия или поликремния (для улучшения прозрачности).

Зарядовый пакет сохраняется ограниченное время (порядка 10^-1…10^-3 с). Рекомбинация и захват электронов на объемные и поверхностные центры приводит к искажению хранимой информации. При передачи зарядового пакета из ячейки в ячейку также происходит некоторая потеря информации вследствие взаимодействия электронов зарядового пакета с поверхностными ловушками, а также неполного протекания зарядов. Для уменьшения этих нежелательных эффектов применяют ряд мер как в системе электрического питания устройства, так и при его технологическом исполнении.

32. Светодиоды (принцип работы, особенности структуры, параметры)

Светодиоды – полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- p-n-переход. Светодиоды работают в спектральном диапазоне 0.4…1.6 мкм

Светодиоды работаю при пропускании через них тока в прямом направлении. За счет инжекции электронов в p-область, а дырок в n-область вблизи p-n перехода создается неравновесное распределение носителей заряда. В светодиоде важно обеспечить такие условия, чтобы рекомбинация инжектированных неосновных носителей заряда происходила излучательным путем. Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к p-n переходу, определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материала и уровнем его легирования. При этом необходимо учитывать, что при протекании тока часть напряжения падает в базовых областях и на контактах. Типичные значение рабочего тока светодиодов составляет 0.1…100 мА. Они зависят от площади p-n перехода и ограничены нагревом. Основное достоинство светодиодов это преобразование электрической энергии в световую с высокой эффективностью. Поэтому важными характеристиками светодиодов являются эффективность и спектральный состав излучения. Эффективность светодиода представляет собой КПД и связана с внешним квантовым выходом электролюминесценции.

Значение внешнего квантового выхода определяется внутренним квантовым выходом люминесценции, коэффициентом инжекции и оптической эффективностью.

Спектр излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материала, типом легирующих примесей, уровнем легирования и механизмом излучательной рекомбинации. Наибольшей эффективностью, обладают светодиоды на основе арсенида галлия. Из всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. При кажущейся внешней простоте конструирование светодиодов представляет сложную задачу, поскольку для её решения надо выполнить ряд противоречивых требований. Форма и размер активного элемента определяются как конкретными целями применения светодиода, так и требованием обеспечения максимальной оптической эффективности вывода света. Необходимо выполнить и другие требования: обеспечение хорошего теплоотвода, технологичность конструкции, экономические факторы и т.п. Спектр излучения светодиода определяется материалом, на основе которого он изготовлен. При использовании светодиодов в системах передачи информации важной характеристикой является их быстродействие. Характеристики светодиодов могут изменяться во времени, что вызвано их деградацией. Как правило, деградация светодиодов проявляется в постепенном уменьшении мощности излучения при длительном пропускании через них прямого тока.