Р hν ассмотрим фотодиодный режим:
p
n
ННЗ
Ө
ЕВН
ННЗ
ЕВНЕШН
UОБР
а)
Пусть имеется поток фотонов с энергией
.
Образовавшиеся за счет фотогенерации
НЗ диффундируют к переходу.
Суммарное поле перехода (
)
является ускоряющим для ННЗ, поэтому
ННЗ перебрасываются полем в соседние
области, образуя световой ток
.
б)
Пусть освещение перехода отсутствует.
В этом случае фотогенерация также будет
отсутствовать, поэтому через
переход суммарным полем будут
перебрасываться в небольшом количестве
ННЗ, образованные за счет генерации, и
через диод будет протекать темновой
ток
небольшой величины.
Рассмотрим ве́нтильный режим:
В
этом режиме будут происходить те же
самые процессы, что и в фотодиодном
режиме, только
переброс ННЗ через переход будет
осуществляться исключительно за счет
внутреннего поля
.
Применение фотодиодов:
-
В вычислительной технике фотодиоды используют в устройствах ввода-вывода информации, т.к. фотодиоды обладают хорошей развязкой между входом и выходом (отсутствует электрическая связь между входом и выходом).
-
В кино-, фото-аппаратуре.
-
В оптронах в качестве фотоприёмников.
-
Вентили – в качестве солнечных батарей.
5.8 Светодиод
Светодиоды – это полупроводниковые диоды, преобразующие электрическую энергию в световую.
Обозначение: Пример: АЛ102Б, АЛ307А
Светодиоды
работают при прямом включении.
Принцип работы:
Под
действием прямого напряжения ОНЗ
диффундируют в соседние области, где
они рекомбинируют с зарядами
противоположного знака. Рекомбинация
сопровождается переходом электронов
из ЗП в ВЗ. При этом выделяется энергия
в виде квантов излучения
.
W(эВ)
Ө
WП
WВ
Для
получения видимого
излучения, необходимо, чтобы длина волны
находилась в пределах:
.
Но
т.к. длина волны обратно пропорциональна
частоте излучения (
),
а частота излучения связана с шириной
запрещенной зоны (
),
то условие
видимости излучения можно
переписать следующим образом:
.
Отсюда
видно, что германий и кремний для
изготовления светодиодов непригодны,
т.к. они имеют ширину запрещенной зоны
меньшую, чем необходимо для видимого
излучения (
).
Для изготовления светодиодов применяется фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), тройные соединения, называемые твердыми растворами и состоящими из галлия, алюминия и мышьяка (Ga, Al, As) или галлия, мышьяка, фосфора (Ga, As, P).
Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного цвета.
Кроме
светодиодов, дающих видимое свечение,
используются
светодиоды инфракрасного излучения на
основе арсенида галлия (GaAs),
у которого
.
Они применяются в фотореле, различных
датчиках, пультах, входят в состав
некоторых оптронов.
Конструктивно светодиоды выполняются:
-
В непрозрачных корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение.
-
В прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение.
-
В бескорпусном варианте.
Применение:
Для индикации, реле, датчики, пульты.
6 Лазеры
Существование лазера предсказал писатель Алексей Толстой в своем произведении «Гиперболоид инженера Гарина». Лазеры бывают: твердотельные, жидкостные, газовые (в зависимости от состояния рабочего вещества).
6.1 Принцип работы лазера
Для эффективного использования света желательно получить синхронное (одновременное) и синфазное (одинаковое по фазе) излучение атомов, т.е. так называемое когерентное излучение.
Пусть имеется цепочка возбужденных атомов. Атом считается возбужденным, если электрон в нем перешел со своей основной орбиты на более высокую за счет получения дополнительной энергии, например, за счет поглощения света (световой энергии), под влиянием температуры (тепловой энергии), при ударе в атом внешнего электрона (кинетической энергии) и т.д.
Пусть внешний фотон (т.е. порция световой энергии, называемая квантом) ударяется в крайний атом по направлению вдоль цепочки. Это вызовет излучение фотона из этого атома, т.е. возникнет уже два фотона. Один из них ударит в следующий атом и т.д. - имеем «принцип домино». В результате световой поток усиливается в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать гигантского значения – 1020.
Причем, двигаться эта огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию, будет в одном направлении, т.е. излучение будет когерентным!
Постоянное подведение к основному веществу дополнительной энергии (для возбуждения большого количества атомов и получения когерентного излучения) называется накачкой.
Рассмотренный примитивный вариант усилителя света получил название лазер – от начальных букв английского выражения, в переводе означающего «усиление света с помощью вынужденного излучения».