Фототиристоры и фотодинисторы

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Это четырехслойная полупроводниковая структура с тремя или двумя выводами, которая включается световым потоком, для этого в корпусе имеется светоприемное окно, которое пропускает световой поток на одну из баз тиристора. Семейство вольтамперных характеристик (рис. 6.13) имеет такой же вид, что и обычный тиристор, только напряжение открывания (U_отк) изменяется за счет светового потока. Спектральная, световая, частотная характеристики и параметры такие же, что и у фотоэлемента. Достоинство – большая мощность и напряжение, которое может коммутировать данный прибор. Схема включения представлена на рис. 6.14,а,б.

Наличие управляющего электрода позволяет производить закрывание тиристора в цепях постоянного тока или вводить температурную компенсацию.

Светоизлучающие приборы

В оптоэлектронике существует две группы излучателей:

- светоизлучающие полупроводниковые диоды;

- оптические генераторы когерентного излучения (лазеры).

Оптический диапазон спектра включает в себя ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение. Реальный луч света представляет собой наложение волн, генерируемых большим числом возбужденных атомов. При этом возможны два крайних случая. Первый случай – это когда каждый атом генерирует независимо от другого свою частоту, фазу и направление единичного вектора. В этом случае получаем некогерентное излучение. Во втором случае колебания всех атомов, участвующих в излучении, согласованы, т.е. частота, фаза и вектор совпадают или постоянны во времени. При этом получаем когерентное излучение. Генерация света осуществляется с использованием либо теплового, либо люминесцентного излучения. При температурах более 2000 °С частота спектра теплового излучения приходится на видимую область. Люминесценция – это излучение, мощность которого превышает мощность теплового излучения при данной температуре. Это возможно за счет энергии внешнего воздействия, когда, например, за счет светового потока, электроны люминесцирующего вещества переходят на более высокие энергетические уровни, а затем, возвращаясь на более низкие уровни, испускают фотон с длиной волны оптического диапазона. При этом, если переход излучающих атомов не связан с внешним воздействием, то момент испускания и вектор поляризации каждого фотона случайны. В этом случае мы получаем спонтанное некогерентное излучение. Если же на люминесцирующую поверхность действует свет с частотой, соответствующей резонансной частоте этих атомов, то возможен такой эффект, что все атомы излучают одновременно фотоны, неотличимые от тех, которые их возбуждают. В этом случае мы получаем когерентное излучение, которое называется вынужденным или индуцированным.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды выполняются на полупроводниках типа А^IIIВ^V, в которых наиболее сильно проявляется инжекционная электролюминесценция. Если из полупроводника такого типа изготовить p-n-переход и приложить к нему прямое напряжение, то за счет инжекции в базе будут накапливаться неосновные носители, которые, рекомбинируясь, вызывают свечение. Для генерации видимого спектра нужны полупроводники с шириной запрещенной зоны, примерно равной 1,7 эВ. При меньшей ширине запрещенной зоны происходит излучение инфракрасного диапазона (ИК), при большей ширине – ультрафиолетовые. Рекомбинация электронов и дырок может происходить при прямых и непрямых переходах. При рекомбинации выполняется закон сохранения не только энергии (W_ф = hn), но и импульса (Р_ф = hn/С). Зависимость энергии электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне от импульса представлена на рис. 6.15,а,б.

В первом случае (рис. 6.15,а) переход называется прямым, он не вызывает изменения колебательного состояния решетки. Во втором случае рекомбинация электрона и дырки сопровождается изменением колебательного состояния решетки полупроводника и переход электрона из ЗП в ВЗ носит название непрямого перехода. В этом случае фононы (колебания решетки) распространяются со значительно меньшей скоростью, чем фотоны и могут унести значительно больший импульс Р_ф при меньшей энергии. Вероятность такого перехода ничтожно мала, однако она сильно возрастает, если есть разрешенные уровни различных примесей в запрещенной зане. В этом случае процесс рекомбинации идет в два этапа. Сначала электроны уходят на уровень примеси, а потом уже переходит в валентную зону. И в первом, и во втором случаях в зависимости от ширины запрещенной зоны расположения энергетических уровней рекомбинированных ловушек в запрещенной зоне процесс рекомбинации может сопровождаться излучением в области оптического спектра. В качестве полупроводникового материала широко используется арсенид галия, фасфид галия, карбид кремния, сульфид кадмия и др. Конструкция может быть разнообразной и их разработка сводится к тому, чтобы обеспечить максимальный выход наружу светового потока и, следовательно, уменьшить поглощение светового потока материалом полупроводника. Светодиоды могут быть выполнены с одним или несколькими светящимися полями. Широко используются семисегментные светодиоды (рис. 6.16) для цифровой индикации и матричные светодиоды (рис. 6.17) для буквенной индикации. Схема включения светодиода и его обозначение представлены на рис. 6.18.

ЭДС питания (Е_п) может быть постоянная, переменная, импульсная. Резистор R служит для ограничения прямого тока, величина которого составляет десятки миллиампер. Основные характеристики светодиода – это спектральная (рис. 6.19,а), ампер-яркостная (рис. 6.19,б) и вольтамперная (рис. 6.19,в).

Основные параметры: сила света, постоянный прямой ток, постоянное прямое и обратное напряжение, температура окружающей среды, цвет свечения и т.д.

Лазеры

Лазером называется устройство, создающее вынужденное (индуцируемое или стимулированное) когерентное излучение. В качестве когерентного излучателя в лазерах могут быть использованы смеси газов, рубин и полупроводниковый материал. Полупроводниковые лазеры имеют меньшие размеры, более высокий КПД и возможность прямого преобразования электрической энергии в когерентное излучение. Другое название лазера – оптические квантовые генераторы (ОКГ).

Рассмотрим принцип работы полупроводникового ОКГ. В обычных условиях в полупроводниковом материале на более высоких энергетических уровнях число электронов всегда меньше, чем на более низких, между этими уровнями всегда происходит непрерывный обмен электронами. При этом переход с нижнего на верхний уровень сопровождается поглощением энергии, и наоборот – излучением энергии. Поскольку нижние энергетические уровни имеют большую плотность электронов, а верхние имеют меньшее заполнение, то получается, что вероятность поглощения больше, чем вероятность излучения энергии при переходе электрона с высокого энергетического уровня на низкий. Поэтому при равновесном состоянии полупроводниковый материал не может генерировать или усиливать электромагнитные колебания. Следовательно, чтобы полупроводник стал усиливать электромагнитные излучения, необходимо нарушить это состояние и искусственно создать такое состояние, при котором количество электронов на верхних уровнях энергии будет больше, чем на нижних. Такое состояние называется состоянием с инверсной заселенностью. Сам процесс образования такого состояния называется накачкой. Инверсию населенности или накачку лазера можно получить разными способами: либо с помощью инжекции носителей при прямом включении p-n-перехода (инжекционные лазеры), либо с помощью бомбардировки кристалла пучком быстрых электронов (лазеры с электронным возбуждением), либо путем возбуждения атомов световым потоком (лазеры с оптической накачкой). В лазерах с оптической накачкой требуется мощный источник света, таким источником служит диэлектрический рубиновый лазер, а полупроводниковым материалом служит кристалл арсенида галлия.

Исключительно большие скорости переключения лазера позволяют создавать сверхбыстродействующие электронные устройства, увеличивать плотность передачи информации по оптоволоконному кабелю.

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 239; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!