Студопедия — Источники света (ИС)
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Источники света (ИС)






Принцип действия ИС основан на использовании индуцированного излучения и электролюминесценции.

Индуцированное излучение осуществляется под действием внешних фотонов. Излучатели, работающие на этом принципе, – лазеры (аббревиатура от слов: light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света за счёт индуцированного излучения.)

 

8.2.1 Лазер полупроводниковый

Наиболее распространённым является лазер на кристалле рубина (Al2O3)

с примесью атомов хрома. Ионизированные атомы хрома являются источником лазерного излучения в рубине. На рисунке 8.1 представлено изображение лазера, на котором: 1 – когерентные световые лучи; 2 – полупрозрачное зеркало; 3 – отражающее серебряное зеркало; 4 – кристалл рубина; 5– лампа вспышки-накачки.

На лампу вспышки-накачки 5 подаётся высоковольтное импульсное напряжение. Излучение оптической накачки (процесса перехода электронов в зону проводимости под действием светового излучения) возбуждает атомы хрома. Кристалл рубина 4 является оптическим резонатором, в котором когерентный луч многократно отражается между поверхностями 2 и 3 перед прохождением через полупрозрачный отражающий слой 2. КПД лазера равен 0,5%, Рнакачки = 100 кВт, Рл = 500 Вт.

Широко используется в медицине и особенно широко в голографии (полная запись – метод записи и воспроизведения волнового поля).

 

8.2.2 Электролюминесцентный конденсатор (рисунок 8.2)

Электролюминесценция – испускание света при рекомбинационных переходах электронов в возбуждённых полупроводниках. Она возникает при самопроизвольном (спонтанном) возвращении электронов в валентную зону. А возбуждение осуществляется сильным электрическим полем, ударной ионизацией в запертом p-n переходе или инжекцией носителей через открытый p-n переход.

Используются как индикаторы, источники света в оптопарах, источники излучения для фиксации на светочувствительном материале.

На стеклянную подложку 5 нанесён полупрозрачный проводящий слой – нижний электрод 4. Электрическое поле между электродами (верхний 1 и нижний 4)возбуждает электролюминесценцию в люминофоре 3, который отделен от верхнего электрода 1 диэлектриком 2. Свет выходит через полупрозрачное стекло.

Недостатком является большое время разгорания и затухания (10-3 ‑ 10-4с).

На рисунке 8.3,а приведена яркостная характеристика B = f(U), где Umin – опорное напряжение, на рисунке 8.3,б – характеристика старения прибора. Видно, что срок службы зависит от материала изготовления.

8.2.3 Светодиод инжекционный

В основе работы светодиода лежит излучательная рекомбинация в p-n - переходе. При прямом смещении инжектированные неосновные носители вблизи перехода рекомбинируют в базе с основными. При этом излучаются кванты света. Излучение может быть в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Основные характеристики светодиодов:

а) диаграмма направленности P = f(a) – определяется конструкцией и оптическими свойствами материала (рисунок 8.4)

б) спектральная характеристика B/B0= f(l) – зависимость яркости от длины волны ‑ представлена на рисунке 8.5, где B - яркость (кандела/м2); В0 – максимальная яркость; В/В0 – относительная яркость;

 

в) яркостная характеристика B= f(IД) – зависимость яркости от тока диода ‑ представлена на рисунке 8.6;

г) ВАХ IД = f(UД) – такая же, как у выпрямительного диода, но более линейная.

Используются плоская и полусферическая конструкции λ;.

Плоская конструкция (рисунок 8.7,а) наиболее простая. Рабочая поверхность большая (несколько мм2), но мала эффективность. Используется в матричных устройствах с большой плотностью упаковки.

Полусферическая конструкция (рисунок 8.7,б) по технологии сложней, но выигрывает в эффективности. Это делает её более предпочтительной.

Светодиод с перестраиваемым цветом свечения (рисунок 8.7,в) представляет двухдиодную структуру, каждый из p-n переходов управляется независимо. Верхний p-n переход, допустим, излучает зелёный цвет, нижний – красный. Если смещены оба перехода, то цвет излучения – жёлтый. Изменяя ток, можно изменять цвет, получая большую гамму излучения. Может быть использован как индикатор для отображения четырех состояний.

 

 

На светодиодах могут быть построены в интегральном исполнении инжекционные лазеры – источники когерентного излучения, которые концентрируют большое количество энергии в узкой спектральной области при высоком КПД и быстродействии (в виде матриц на базовом кристалле). Они широко используются в информационных табло.

Недостатками являются:

а) низкая эффективность;

б) деградация характеристик при старении.

Достоинства:

а) механическая прочность;

б) высокая надёжность;

в) малые габариты;

г) низкие рабочие температуры;

д) малое потребление энергии;

е) безынерционность.

8.3 Фотоприёмники

В фотоприемнике или фотоэлектрическом приборе происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.

Строится на трех основных фотоэлектрических явлениях:

а) внутренний фотоэффект – изменение электропроводности проводника при его освещении за счёт увеличения концентрации носителей тока (фоторезистор);

б) фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света (фотодиод, фототранзистор);

в) внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света – фотоэлектронная эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель).

 

8.3.1 Фотодиод

Фотодиод – фотоэлектронный прибор, в основу работы которого положен фотоэффект в запирающем слое, возникает ЭДС в p-n переходе под действием светового потока.

Имеет структуру обычного p-n перехода. Изготавливается из германия или кремния, чаще кремния, так как он имеет более высокий коэффициент преобразования.

Можно подвергать световому воздействию:

а) параллельно p-n переходу, но все процессы идут сверху в небольшой области;

б) перпендикулярно к p-n переходу, одна из областей делается прозрачной для лучей.

При облучении происходит ионизация атомов исходного вещества в p-n переходе. Увеличивается собственная электропроводность, т.е. количество пар электронов и дырок.

Фотодиод может включаться с и без внешнего источника:

а) без внешнего источника – называется вентильным или фотогенераторным режимом;

б) при наличии внешнего источника питания Евн – фотодиодным или фотопреобразовательным режимом.

а)вентильный режим фотодиода – Евн = 0:

1) при Ф = 0 (режим неосвещённого диода) будет равновесное состояние, p-n переход заперт, следовательно, суммарный ток через переход равен нулю;

2) при Ф > 0. Если энергия падающего фотона больше ширины запрещенной зоны, то валентный электрон перейдёт в зону проводимости и образуется пара подвижных носителей - электрон и дырка. Так как концентрация носителей в запирающем слое меньше, чем в р и n областях, то из-за градиента они диффундируют к p-n переходу. На границе перехода они разделяются. Под действием поля перехода (контактной разности потенциалов) неосновные носители перебрасываются в область, где становятся основными, т.е. дырки переходят в р -зону, а электроны – в n -зону В области р накапливается избыточный положительный заряд дырок, в n – избыточный отрицательный заряд электронов, т.е на выводах образуется фотоэдс – jФ, который приложен к p-n -переходу в прямом направлении.

Таким образом за счёт светового потока Ф увеличивается дрейфовая составляющая тока – фотоэдс jФ. Фотоэдс в свою очередь уменьшает потенциальный барьер и увеличивает диффузионный ток.

Определим величину фотоэдс jФ.

Сумма токов в диоде IЕ – IД + IФ = 0, где IЕ. – дрейфовый ток, IД – диффузионный ток, IФ – фототок.

IЕ=I0 – тепловому току p-n перехода.

Диффузионный ток IД=I0∙еxp(jФ /jТ ) ,

фототок Iф= IД – IЕ = I0 [еxp(jФ /jТ) –1)], отсюда

jФ=jТln[(IФ/I0+1)].

Фотоэдс jФ зависит от освещенности, длины волны l, ширины запрещенной зоны, времени жизни носителей, подвижности электронов, состояния поверхности;

б) фотодиодный или фотопреобразовательный режим.

Напряжение внешнего источника включается в обратном направлении к диоду:

а) при Ф = 0 через переход течёт обратный тепловой ток – I0;

б) под действием Ф > 0 увеличивается число пар носителей и увеличивается обратный ток – фототок. Общий ток через диод Iобщ=I0+I Ф.

К основным характеристикам фотодиода относятся:

а) вольт-амперная характеристика I=f(U)|Ф= const (рисунок 8.8).

Здесь в IV квадранте отражен генераторный режим:

1) при I = 0 (режим холостого хода) U = jф – фотоэдс;

2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток Iкз;

3) при RH ¹ 0 ток I = jф / RH.

В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок IФ. Общий ток Iобщ равен сумме обратного тока и фототока Iобщ=I0+IФ.

В I квадранте – при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода.

При Ф > 0 Iп р >> IФ и IФ не отличить на фоне Iпр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как IФ и Iобр соизмеримы, фотодиод включается в обратном направлении;

б) спектральная характеристика Iф=f(l).

Германиевый фотодиод имеет более широкий спектр (рисунок 8.9);

в) энергетические Iф=f(Ф):

1) световая (для вентильного режима – рисунок 8.10,а) Iф=f(Ф)|= const, при RН = 0 Iф изменяется прямо пропорционально световому потоку Ф, с увеличением RН увеличивается URH и характеристика отличается от линейной;

 

2) световая (для фотодиодного режима – рисунок 8.10,б) Iф=f(Ф) |U=const

Основные параметры:

а) выходное сопротивление Rвых – десятки мегаом;

б) чувствительность К=DIФ/DФ|U=const – несколько десятков мА/лм;

в) темновой ток IТ, ток при Ф=0 и Uобр =1В.

 

К недостаткам относятся:

а) сильное влияние температуры;

б) инерционность;

в) низкий коэффициент преобразования из-за потерь.

 

Фотодиоды применяются:

а) для регистрации слабых низкочастотных световых сигналов;

б) при преобразовании световой энергии в электрическую (солнечные батареи, источники питания);

в) в устройствах считывания информации;

г) автоматике, фотометрии, при контроле наличия источников излучения и др.

8.3.2 Фототранзистор биполярный

Это фотоэлектронный транзистор с двумя или более выводами. Имеет структуру плоскостного транзистора и выводы от эмиттера, коллектора и базы.

Свет воздействует на базу.

Используются два режима:

а) с оборванной (плавающей) базой;

б) с задействованной базой.

 

Рассмотрим режим работы с оборванной базой:

а) при Ф=0 через коллекторный переход течёт сквозной ток коллектора IКОС, который называется темновым (обратный ток коллектора в схеме с ОЭ при Iб=0 – оборванной базе).

IТК=IКОС= I КО /(1 – a);

 

б) при Ф>0 фотоны вызывают генерацию пар в базе. Дырки полем КП втягиваются в коллектор, а электроны скапливаются в базе. Они уменьшают потенциальный барьер в ЭП, что создаёт дополнительную инжекцию дырок из эмиттера и увеличивают ток коллектора IК. Электроны, возникающие при внутреннем фотоэффекте, создают фототок IФ, пропорциональный световому потоку Ф, и играют управляющую роль тока базы.

 

При равных световых потоках Ф, воздействующих на диод и транзистор, полное приращение IК в фототранзисторе больше фототока IФ диода в (b+1) раз

IФТ=IФд(1+b).

Максимальная чувствительность получается при освещении участка базы, непосредственно примыкающего к коллектору, так как далеко от него они рекомбинируют, а эмиттерный контакт сдвигают, чтобы мертвая зона находилась с краю светочувствительной площадки.

Основные характеристики:

а) выходные IK=f(UКЭ) при Ф=const аналогичны с выходными характеристиками биполярного транзистора с ОЭ, но параметром является вместо тока базы IБ световой поток Ф.

б) энергетические и спектральные характеристики подобны фотодиодным.

 

8.3.3 Фототиристор

Фототиристор преобразовывает световой сигнал в электрический. Имеет ту же структуру, что и обычный тиристор, но с прозрачным окном (рисунок 8.11). Здесь:

1 – прозрачный слой;

n1, p2 – базы;

n2, p1 – эмиттеры;

УЭ – управляющий электрод.

На ВАХ, как и у простого тиристора, имеет место участок с отрицательным сопротивлением.

Рассмотрим режимы работы:

а) при Ф =0 режим как у обычного тиристора, течёт темновой ток;

б) при Ф > 0 световой поток управляет моментом включения тиристора. Генерируются пары носителей, дырки отбрасываются в р -область, а электроны в – n -область. Продвигаясь к эмиттерным переходам, они уменьшают их потенциальные барьеры и увеличивают диффузионные токи. При некоторых Ф, Мa = 1 и тиристор включается. Через него течет ток I=(IК0 + IФ)/(1 – Мa), где IФ – суммарный фототок ‑ равен IФ= IФ2+IФ1a1+IФ3a3.

Управление световым потоком Ф имеет преимущество перед электрическим, так как позволяет осуществлять гальваническую развязку управляющей цепи от силовой.

УЭ ‑ дополнительный электрод ‑ введен для:

а) создания определённого режима работы;

б) температурной компенсации;

в) стабилизации светочувствительности.

 

Основные характеристики фототиристора:

а) спектральная, как у фототранзистора;

б) ВАХ – как у тиристора;

в) характеристика управления Uвкл =f(Ф ) приведена на рисунке 8.12, где

Uвкл0 – Uвкл при Ф= 0. Это максимальное напряжение включения при затемнении;

Uост – минимальное Uвкл при Фспр;

Фспр – максимальный световой поток, при котором ВАХ спрямляется;

Фпор – начальная нечувствительность к управляющему световому потоку;

г) Световая характеристика IФ=f(Ф) при U=const приведена на рисунке 8.13.

Применяется фототиристор в разных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для коммутации электрических цепей большой мощности.

Достоинствами прибора являются малое потребление мощности, малые габариты, малое время включения и отсутствие старения.

 







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 513. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

СИНТАКСИЧЕСКАЯ РАБОТА В СИСТЕМЕ РАЗВИТИЯ РЕЧИ УЧАЩИХСЯ В языке различаются уровни — уровень слова (лексический), уровень словосочетания и предложения (синтаксический) и уровень Словосочетание в этом смысле может рассматриваться как переходное звено от лексического уровня к синтаксическому...

Плейотропное действие генов. Примеры. Плейотропное действие генов - это зависимость нескольких признаков от одного гена, то есть множественное действие одного гена...

Методика обучения письму и письменной речи на иностранном языке в средней школе. Различают письмо и письменную речь. Письмо – объект овладения графической и орфографической системами иностранного языка для фиксации языкового и речевого материала...

Принципы и методы управления в таможенных органах Под принципами управления понимаются идеи, правила, основные положения и нормы поведения, которыми руководствуются общие, частные и организационно-технологические принципы...

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ САМОВОСПИТАНИЕ И САМООБРАЗОВАНИЕ ПЕДАГОГА Воспитывать сегодня подрастающее поколение на со­временном уровне требований общества нельзя без по­стоянного обновления и обогащения своего профессио­нального педагогического потенциала...

Эффективность управления. Общие понятия о сущности и критериях эффективности. Эффективность управления – это экономическая категория, отражающая вклад управленческой деятельности в конечный результат работы организации...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия