|
| |
|
Слаботочка Книги чающие диоды {светодиоды) - излучатели, основанные на инжек-ционной спонтанной электролюминесценции полупроводниковых диодов. От полупроводниковых лазеров эти приборы выгодно отличаются существенно меньшей стоимостью, лучшими эксплуатационными параметрами, простотой применения. Таким образом, основными и практически единственными оптоэлектронными излучателями являются инжекционные лазеры и светодиоды. Излучатели, основанные на других принципах, нашли ограниченное применение. Миниатюрные лампочки накаливания, у которых в качестве тела излучения используется вольфрамовая нить, вмонтированная в стеклянный баллон и нагреваемая электрическим током до 2100... 2300 К, характеризуются очень широким спектром, охватывающим часть УФ-, весь видимый и большую часть ИКдиапазона (см. рис. 2.15), и значительной инерционностью (Ю... Ю- с). Правда, эти простейшие излучатели очень дешевы, обладают высокой температурной и радиационной стойкостью, а также интегральной яркостью, но все это обусловливает их использование лишь в нескольких устаревших разновидностях оптопар. Неоновые лампочки с люминесценцией газового разряда применяются в качестве простейших индикаторов «дооптоэлектронной поры»; лишь конструктивно-технологические принципы интегральной электроники (плоская панельная мозаичная структура) открыли перед этим видом люминесценции перспективы в одном из разделов оптоэлектроники (отображающие плазменные панели - см. гл. 8). Ограниченное применение в оптоэлектронике находят также дискретные электролюминесцентные ячейки, использующие свечение порошковых или пленочных люминофоров. При сопоставлении со светодиодами они проигрывают по всем показателям - более высокие напряжения и мощности возбуждения, низкая светоотдача, широкий спектр излучения, низкое быстродействие, неудовлетворительные характеристики. Лишь в индикаторной технике, где бывают необходимы большие светящиеся площади, этот механизм излучения получил реализацию. Сказанное относится и к другим видам излучателей - ни один из них не может хотя бы поколебать то доминирующее положение, которое занимают в оптоэлектронике лазеры и светодиоды. Система параметров излучателей логически следует из их функционального назначения и из физических принципов работы двух их основных разновидностей: инжекционных лазеров и светодиодов. Интенсивность излучения характеризует мощность излучения Ризл, мВт (лазеры и ИК-светодиоды); сила света мккд, мкд (светодиоды видимого диапазона спектра). Оба параметра измеряются при заданном номинальном или рабочем токе возбуждения /раб (у лазеров) и прямом токе /пр (у светодиодов). В связи с сильной зависимостью Ризл(/раб) при измерении лазеров во избежание вывода их из строя устанавливается требуемая /изл и измеряется ток накачки, при этом /изл/раб- Спектральные свойства излучения определяются длиной волны, соответствующей максимуму спектра излучения % макс» МКМ, нм; шириной спектральной полосы А%, нм, определяемой по 50%-ному уровню спада интенсивности; модовым составом излучения (у лазеров). Возможность использования этих параметров обусловлена узкополосностью излучения лазеров и светодиодов Даже для светодиодов видимого диапазона спектра, спектральным параметром которых является цвет свечения, задания >.макс оказывается достаточно, так как излучение светодиодов обладает более чем 98%-ной чистотой. Для излучателей других видов приходится задавать функции Р„зл(Х) [или Iv{%)], а также значения цветовых коэффициентов X и Y. Для характеристики направленности измеряют угол излучения •а, определяемый по 50%-ному уровню спада интенсивности. В связи с сушественным различием продольного и поперечного «окна» инжекционного лазера для его характеристики используют параметры ап и ах-угловые расходимости в плоскости параллельной и перпендикулярной р-п-переходу лазера. Оба параметра характеризуют поле излучения в дальней зоне, поле в ближней зоне фактически задается распределением интенсивности по площади окна. Полная характеристика направленности дается фотометрическим телом излучателя Ризл(ф, в) или при его симметрии- диаграммой направленности Ризл(ф). Быстродействие излучателя обычно определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса накачки нр(сп), НС, и временем задержки импульса излучения зд, не. Эти параметры измеряются, как принято в радиотехнике, по уровням €,1 и 0,9 фронта и среза. Иногда в качестве параметра быстродействия используется постоянная времени релаксации свечения трел, •определяемая по изменению интенсивности в е раз. Как элемент электрической цепи излучатель характеризуется падением прямого напряжения (или вообще напряжения возбуждения) /Упр при заданном прямом токе пр, а также максимально допустимыми режимами (непрерывными и импульсными) по току, обратному напряжению, мощности рассеивания. Основными конструкционными параметрами излучателя являются размеры излучающего окна (у лазера еще длина резонатора), а также тепловое сопротивление т, °С/Вт. К важнейшим эксплуатационным показателям относятся крайние значе?шя рабочих температур Гмин и Гиакс и гарантированная долговечность tu, определяемая по 10, 30 или 50%-ному спаду интенсивности излучения. Ряд параметров, не приводимых в паспортных данных на излучатели, тем не менее используется для характеристики степени их физического и технологического совершенства: это внутренний и внешний квантовые выходы f]int, г]ехй КПД PiW(-npnp); светоотдача 0J(/iipf/np), лм/Вт, -для приборов видимого диапазона •спектра; пороговый ток /пор, пороговая плотность тока /пор (характерны для лазеров); дифференциальная эффективность 5диф = = dPtisjildIup, Вт/А; дифференциальный КПД rfPn3Ji/rf(f/np/np) ~ диф/бпр. Два последних параметра определяют крутизну ватт-амперной характеристики лазера на послепороговом участке. 5.2. ИНЖЕКЦНОННЫЙ ЛАЗЕР Принцип действия. Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный прибор с р-п-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через р-п-переход. В устройстве и принципе действия инжекционного лазера отчетливо проявляются все те определяющие моменты, которые характерны для любого лазера. Прежде всего необходима активная среда, способная обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения (параллелепипед LxdxW на рис. 5Л,а). В данном случае это прямозоиные вырожденные полупроводники, главным образом типа АВ, и их твердые растворы (в гетеролазерах вырождение не обязательно). Второе условие лазерной генерации состоит в использовании механизма возбуждения активной среды {накачки), создающего инверсию населенностей энергетических уровней полупроводника- В данном случае это инжекция носителей заряда р-п переходом. При некотором смещении реализуется условие инверсии населенностей (рис. 5.1,6, г): вблизи р-п-перехода концентрация электронов на более высоких уровнях оказывается выше, чем на более низких, - полупроводник подготовлен для усиления излучения. Физически это объясняется тем, что электромагнитная волна по мере распространения по кристаллу больше приобретает энергии (из-за стимулированных переходов электронов с верхних уровней на нижние), чем отдает (вследствие поглощения). Но для того чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо (как и в радиотехнике) выполнить третье условие - создать положительную обратную связь, т. е. часть усиленного выходного сигнала возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы, типичным среди которых является резонатор Фабри - Перо, состоящий из двух параллельных плоских зеркал и обеспечивающий многократное прохождение волны через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода излучения по крайней мере одно из зеркал делается полупрозрачным. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняют параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола. Четвертое условие заключается в обеспечении электрического, электронного и оптического ограничений. Суть электрического ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду (в упрощенной схеме рис. 5.1,а это достигается ав- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [41] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |