4.15.1. Управляемые источники излучения

1. Тепловые источники. Это источники электромагнитного излучения, испускаемого нагретым телом за счет повышения его внутренней энергии. К ним относятся лампы накаливания. Они имеют широкий спектр излучения (0,44) мкм, высокий уровень освещенности. Недостатками являются большая инерционность, низкая надежность, невозможность применения в интегральной схемотехнике. В настоящее время используют миниатюрные лампы накаливания типа НСМ-9, НСМ-25 и др.

2. Газоразрядные источники излучения. В них излучающей средой являются газы или пары металлов, в которых при прохождении тока возникает газовый разряд. Газоразрядные источники более быстродействующие, но остальные недостатки такие же, как и у ламп накаливания. В основном используются в составе устройств отображения информации.

3. Электролюминесцентные источники света.Люминесценция – это светоизлучение при той же температуре. Физически происходит возбуждение атомов – запасается светосумма, а затем возбужденные атомы отдают запасенную энергию в виде фотонов. В зависимости от того, каким образом производится возбуждение, различают следующие виды люминесценции: фотолюминесценция, катодолюминесценция, рентгенолюминесценция, электролюминесценция, инжекционная люминесценция. Последняя осуществляется вp-n-переходе.

Светодиоды

При прямом смещении р-n-перехода основные носители слояп-электроны в огромных количествах переходят в слойр. Часть этих электронов рекомбинирует с дырками слояр. Физически рекомбинация означает исчезновение пары свободных носителей: электрон из зоны проводимости «падает» в валентную зону, теряя при этом полученную ранее энергию. В зависимости от ширины запрещенной зоны эта энергия выделяется или в виде тепловой (фононы), или в виде световой (фотоны). В последнем случаер-n-переходначинает излучать свет определенной длины волны, т. е. становится преобразователем электрического тока в световой поток (рис. 4.45).

Рис. 4.45. Р-n-переход как источник света

Длина волны связана с шириной запрещенной зоны (ε) следующим соотношением:. Отсюда следует, что для получения излучения видимого спектра (0,380,78) мкм полупроводник должен иметь ширину запрещенной зоны > 1,7 эВ. В связи с этим светодиоды изготавливаются не из германия или кремния, а из других полупроводниковых материалов, например: фосфид галлия, карбид кремния и др.

Внесение в полупроводник различных примесей позволяет получить свечение различного цвета. Существуют светодиоды, цвет свечения которых можно менять. В таких светодиодах два светоизлучающих перехода, один из которых имеет максимум излучения в красной части спектра, а другой – в зеленой. Цвет свечения зависит от соотношения токов через переходы.

Характеристикой светодиода как источника света является зависимость яркости от прямого тока, т. е. (яркостная характеристика), или зависимость силы света от прямого тока, т. е.(световая характеристика). На рис. 4.46 приведен вид световой характеристики. При больших токах характеристика почти линейна. Эта часть определяет оптимальный режим работы светодиода. На рис. 4.47 приведена спектральная характеристика, которая показывает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода, но т. к. для его изготовления используются материалы с большой шириной защищенной зоны, то нижний предел рабочего напряжения – (1,03,5) В. Допустимые обратные напряжения значительно ниже, чем у выпрямительных диодов, – (412) В.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Если задать импульс прямого тока (см. рис. 4.48), излучение нарастает (t_вкл) за время не более 10^–8с. Время выключения больше, т. к. происходит рассасывание избыточного заряда. Со временем происходит уменьшение мощности излучения:

,

где_дегр – постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации (_дегр  10⁴ ч).

При увеличении температуры уменьшается световой поток Ф (примерно 1 % на 1°) и увеличивается длина волны.