Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 5
Svítivé diody a lasery

5.1  Optoelektrické pojmy

Rozumíme vlnové délky λ = 10 nm až 100 μm. Viditelné světlo má vlnové dálky v rozmezí 380 až 780 nm.

Vnější fotoelektrický jev – fotoemise

Při průniku záření látkou se uvolňují elektrony. Fotokatody.

Vnitřní fotoelektrický jev

Vznik (vodivého) páru elektron-díra (rozštěpení). Fotorezistory.

Kvantová účinnost

Je to poměr vyzářených fotonů ku počtu elektronů. Materiál může vyzařovat – termodynamická nerovnováha – excitace (vybuzení), přechod zpět buď zářivý nebo Augerův (energie se mění v teplo).

Fotoluminiscence

Excitace světelným (neviditelným zářením). Laser

Katodoluminiscence

Excitace dopadem elektronů – např. fotoluminiscenční vrstva obrazovky (stále stejná barva, změny intenzity) vybuzená elektronovým svazkem.

Elektroluminiscence

Excitace elektrickým polem. Založena na principu injekce excitovaných minoritních nosičů náboje PN přechodem daného polovodiče při přiložení vnějšího napětí. Injektované nosiče náboje, elektrony a díry, spolu rekombinují, přičemž dochází k emisi fotonu (tj. uvolnění energie ve formě fotonu) s vlnovou délkou danou polovodičovým materiálem. Fotodiody.

Nekoherentní záření

Uplatňuje se spontánní emise (rekombinace nastává při injekci samovolně).

Koherentní záření

Uplatňuje se stimulovaná emise (uvolnění záření je stimulováno existencí fotonu stejné frekvence, polarizace a fáze jako má emitovaný foton). Koherentní záření je takové záření, jehož všechny „vlny“ mají stejnou frekvenci, polarizaci a fázi.

5.2  LED

LED je zkratka light emitting diode. Základní princip činnosti je stejný jako u klasické usměrňovací diody. Přiložením napětí v propustném směru dochází k injekci minoritních nosičů náboje přes PN přechod. Po překonání určité vzdálenosti tyto nosiče rekombinují s nosiči opačného znaménka. Tento proces způsobuje v aktivní oblasti uvolnění energie ve formě fotonů. Vlnová délka je dána rozdílem energií nosiče před a po rekombinaci
ΔW = W2 − W1 = hc
λ
      [J; J·s, m/s, m],
odkud dostáváme pro vlnovou délku emitovaného fotonu
λ = h c
ΔW
,
přičemž c je rychlost světla ve vakuu a h je Planckova konstanta. Přepočtem z joule na elektronvolty dostaneme vzorec
λ = h c
ΔW
e ·
=
 
1,24
ΔW
      [μm; eV].

U LED se snažíme o to, aby se co nejvíce vyzářeného výkonu (typicky 50 μW/mA) dostalo z aktivní oblasti na povrch. Proto musí být konstrukce LED přizpůsobena tak, aby docházelo k co nejmenší absorpci emitovaného záření v objemu polovodiče a v materiálu kontaktů. Kromě toho se emitovaný výkon zvyšuje použitím speciálních zalévacích hmot (s indexem lomu větším než 1) a skel, popřípadě rozměrově optimalizovanou polosférou nad vlastním polovodičovým systémem.

5.3  Lasery

Slovo laser je zkratkou slov light amplification by stimulated emission of radiation. Uplatnění nachází v lékařství (skalpel, ozařování tkání), strojírenství (řezání a obrábění materiálu), elektrotechnika (automatické trimování součástek, přenos informace, tiskárny, paměťová média, holografie), metrologie (přesná měřené délek a úhlů), stavebnictví (dálkoměry), chemie (výroba extrémně čistých materiálů, separace izotopů), vojenství (zbraně, navigace…).

5.3.1  Podmínky pro stimulovanou emisi

Existence aktivního prostředí s dostatečně velkým zesílením fotonů mechanizmem stimulované emise. Podle toho, jakým skupenstvím je toto prostředí tvořeno, nese laser název: plynový laser (argonové, helium-neonové, CO2…), kapalinový laser (speciální anorganická barviva, odtud název barvivové lasery), pevnolátkové lasery (rubínové, neodymové; zvláštní skupinou jsou polovodičové lasery).

Existence kladné zpětné vazby, která je nutná, aby generace fotonů po určité době neustala. Kladná zpětná vazba se realizuje dvěmi planparalelními zrcadly (tvoří rezonátor).

Aby v aktivním prostředí převládla stimulovaná emise nad ostatním protipůsobícími jevy (např. absorpci) a došlo k ustálené generaci fotonů, musí být na vyšších energetických hladinách více částic než na nižších. Tohoto stavu, který se obvykle nazývá inverzní obsazení hladin , lze docílit buzením aktivního prostředí ozářením, elektrickým výbojem, chemickou reakcí, popřípadě injekcí nosičů v PN přechodu. Inverzním obsazením se přitom rozumí obsazení inverzní vůči rovnovážnému stavu (nedochází k buzení, nižší energetické hladiny jsou obsazeny více než vyšší [Maxwell-Boltzmannův zákon]).

5.3.2  Polovodičový laser

Využívají pro buzení injekce minoritních nosičů náboje v PN přechodu. Odtud plyne jejich častý název injekční laser.

Zesilování světla stimulované emisí záření. Fabri-Perotův rezonátor (na optické záření) – přesná vzdálenost – souvisí s λ. Paprsky prochází skrz materiál, strhávají další. Na jedné straně zrcadlo se 100% odrazem, na druhé straně s 98% odrazem.

Koherentní záření – téměř monochromatické, zářivý výkon ve velmi úzké části spektra (kvazimonochromatické), zúžení vlnového svazku se vhodně dá soustředit a navázat na optickou soustavu i optické vlákno. Prostorová koherence – rovinná vlnoplocha, časová koherence – všude rovinná vlnoploch. Polarizované.

Heterogenní krystal, na bocích vrstvičky kovů, které tvoří zrcadla. Při malém proudu se chová jako LED, až při proudové hustotě 20 až 60 mA mm−2 na rozhraní, mění se spontánní na koherentní => chlazení. Polarizační rovina kolmá k PN přechodu. Reakční doba na napěťový impulz řádově ps (výhledově fs – buzení optických kabelů), velké šířky pásma.