Светодиоды и Лазерные диоды реферат. Светодиоды и Лазерные диоды. Бюджетное профессиональное образовательное учреждение Омской области омский авиационный колледж имени н е. Жуковского
 Скачать 472.28 Kb.
|
|
Принцип работы лазерного диода. Принцип работы диода с первого взгляда достаточно простой: диод ‒ полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью электрического тока. Вывод диода подключенный к положительному полюсу источника питания называют анодом, к отрицательному ‒ катодом. Кристалл диода в основном изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки из германия или кремния, одна область которого обладает электропроводимостью p ‒ типа, то есть дырочной. Она содержит искусственно созданный недостаток электронов. Другая область ‒ проводимости n ‒ типа, то есть содержит избыток электронов, границу между ними называют p ‒ n переходом, p ‒ в латыни первая буква слова позитив, n ‒ первая буква в слове негатив. Если к аноду диода подать положительное напряжение, а к катоду отрицательное ‒ то диод будет пропускать ток, это называют прямым включением, в таком положении диод открыт, если подать обратное ‒ диод ток пропускать не будет, в таком положении диод закрыт, это называют обратным подключением. Всегда необходимо помнить, что при формировании излучения больше важен не ток лазерного диода, а напряжение. В момент подачи на анодный конец диода положительного потенциала, наблюдается смещение диода по прямому направлению. Это подразумевает инжекцию дырок из p‒области в n‒область и аналогичную инжекцию электронов в обратном направлении. Расположение электрона и дырки в достаточной близости для проявления эффекта туннелирования делает возможной их рекомбинацию. Данное действие сопровождается образованием: Фотонов, имеющих определённую длину волны (результат принципа сохранения энергии); Фононов (компенсируют забираемые фотонами импульсы). Явление носит название спонтанного излучения и применительно к светодиодам считается главным методом создания излучения. Кристалл ‒ пластинка, по сути, является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n‒области, а в нижнем слое создают p‒область. В результате получается плоский p‒n переход большой площади. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация. Особенности конструкции Кристалл полупроводника лазерного диода представляет собой весьма тонкую прямоугольную пластинку. Деление на p и n области здесь происходит по принципу не лево‒право, а верх‒низ. То есть, вверху расположена p‒область, а внизу — n-область. Как результат: площадь p‒n — перехода достаточно велика. Для торцевых (боковых) сторон обязательна полировка, поскольку формирование оптического резонатора (Фабри-Перо) требуются наличие параллельных плоскостей абсолютной гладкости. Перпендикулярно направленный в отношении одной из таких плоскостей случайный фотон (сформированный спонтанным излучением) будет двигаться по всему оптическому волноводу, периодически отражаясь от боковых граней, пока, наконец, не покинет резонатор. Во время движения этот фотон станет причиной нескольких актов вынужденной рекомбинации, формирования подобных фотонов и усиления излучения. В момент, когда усиление достаточно для перекрытия потерь, происходит лазерная генерация. Разновидности лазерных диодов 1. P-n гомоструктурный диод В большинстве случаев слой лазерного диода весьма тонок и генерация фотонового потока происходит параллельно структуре этого слоя. Однако, при конструкции достаточной ширины, диод может функционировать в поперечном варианте. Это многомодовые диоды, и их использование демонстрирует высокую мощность излучения в комбинации с высокой его расходимостью. С целью обеспечения лучшей фокусировки по ширине волновод должен сопоставляться с длиной волны излучения. Ввиду малой толщины излучающего элемента и дифракции наблюдается сильное расхождение луча в момент выхода. Компенсировать данный эффект можно при помощи собирающих линз. В случае с многомодовыми лазерами обычно используют линзы цилиндрического типа. А если для стандартного лазера применить симметричные линзы, то луч в сечении приобретёт форму эллипса поскольку в вертикальном направлении луч расходится сильнее, чем в горизонтальном. Лазерные диоды данного типа не отличаются эффективностью. Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. 2. Лазерный диод с двойной гетероструктурой (ДГС) Особенностью диодов данного типа является то, что в них кристаллический слой, имеющий более узкую запрещённую зону, фиксируется между двух кристаллических слоёв, имеющих более широкую запрещённую зону. Большим плюсом моделей данного типа является увеличение активной области (распространяющейся практически на весь средний слой) и усиление потока фотонов (благодаря дополнительному отражению света от гетеропереходов). 3. Лазерный диод с квантовыми ямами При более сильном истончении среднего слоя в диодах ДГС-типа, его свойства изменяются таким образом, что он превращается в квантовую яму. Таким образом по вертикали электронная энергия будет подвергаться квантованию. Разность энергетических уровней квантовых ям может быть использована излучения взамен возможного барьера. Это позволяет регулировать длину волны при излучении, определяемую толщиной среднего слоя. Более эффективный вариант ввиду равномерности распределения электронов и дырок. 4. Лазерный диод с гетероструктурой и раздельным удержанием Гетероструктурные лазеры с тонким слоем имеют один весомый недостаток — они не в состоянии эффективно удерживать свет. Для разрешения проблемы к двум сторонам кристалла крепится по дополнительному слою. По коэффициенту преломления эти слои уступают центральным. Общая конструкция при этом становится подобна световоду. Наибольший процент лазерных диодов сформирован по данной технологии. 5. Лазерные диоды с распределением обратной связи (РОС) Лазеры РОС ‒ типа применяются для многочастотных волоконно-оптических связей. При помощи поперечной насечки в области p-n — перехода, необходимой для формирования дифракционной решётки, становится возможной стабилизация длины волны. Конкретное её значение зависит от параметров насечки, однако возможны некоторые деформации под действием температурных всплесков. Лазеры данного типа применяются преимущественно для телекоммуникаций и оптики. 6. VCSEL Лазер поверхностного излучения, снабжённый вертикальным резонатором. Это означает, что свет будет направлен перпендикулярно относительно грани кристалла, в то время как лазеры других типов излучают свет параллельно кристаллу. 7. VECSEL Аналогичен по свойствам предыдущему варианту, но оснащён внешним резонатором. Драйвер для лазерного диода Выходная оптическая мощность лазерного диода (являющая одной из основных оптических характеристик) находится в зависимости от тока, проходящего по p-n — переходу. Ввиду этого драйвер лазерного диода обязательно должен соотноситься с источником тока. Все характеристики, относящиеся к источнику тока, отражаются на параметрах оптической мощности. В сферу «обязанностей» драйвера входит не только регулировка мощности, но и терморегуляция, осуществляемая через охладитель. Конструкция управляющего блока при этом может быть как совмещённой, так и раздельной. Как подключить лазерный диод? Лазерные диоды находят применение в самых различных радиолюбительских конструкциях. Питание лазерного диода может осуществляться, как от батареи или аккумуляторного источника питания, так и от стационарной сети промышленным напряжением 220 вольт. В последнем случае необходима более тщательная защита от всплесков тока или напряжения, поскольку лазерный диод представляет собой довольно чувствительный к таким явлениям элемент и может выйти из строя даже при очень кратковременном превышении тока или напряжения. В состав схемы входят батарея или аккумулятор напряжением девять вольт, токоограничивающий резистор и непосредственно лазерный модуль. При неимении отдельного лазерного диода, взять оный можно из DVD привода. При этом следует помнить, что в данном случае имеется в виду компьютерный, а никак не обычный проигрыватель. С большой осторожностью лазер извлекается из него, после чего требуется определиться с подключением питания. Как правило, производитель снабжает лазерные диоды тремя выводами, двумя по краям и одним посредине. В большинстве случаев именно средний электрод подключается к минусовой клемме источника питания. К положительному полюсу необходимо подключить либо правый, либо левый, здесь всё зависит от производителя и марки лазерного оборудования. Для того чтобы определить какой именно вывод является положительным, следует подать питание на диод. Для этой цели используются две батарейки по 1,5 вольта и резистор в пять Ом. Минусовые выводы батареек напрямую подключаются к центральному минусовому выводу диода. Плюсовая сторона батареек, через резистор, поочерёдно подключается к каждой из двух оставшихся клемм диода. Как только лазер слегка засветится, это значит, что плюсовой полюс найден. Таким способом весьма быстро и просто можно определить полярность, поскольку принцип работы лазерного диода идентичен работе обычного вентиля. Питание будущего лазера организовывается от двух или трёх пальчиковых батареек, однако при желании для этой цели можно использовать и аккумулятор мобильного телефона. В последнем случае необходимо использовать дополнительный ограничительный резистор на двадцать пять Ом, а в случае с батарейками применять резистор в пять Ом. Подключение лазерного диода к сети на 220 вольт опасно выбросами напряжения и высокочастотными всплесками. В таком случае следует обеспечить дополнительную защиту чувствительному элементу, дабы избежать его поломки. Схема состоит из стабилизатора напряжения, конденсатора, токоограничивающих резисторов и непосредственно лазерного диода. Стабилизатор напряжения и сопротивления, образуют блок, препятствующий токовым выбросам. От бросков напряжения, устанавливается стабилитрон, а конденсатор поможет препятствовать высокочастотным всплескам. В результате использования такой схемы, стабильная работа лазерного диода полностью гарантирована. При использовании всех приведённых компонентов можно гарантировать безопасность эксплуатации диода. Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод? Единица измерения длины волны, которую может продуцировать лазерный диод — нм, иначе «нанометры». Благодаря этому значению можно определить цветовой спектр испускаемого светового луча: 650 нанометров Поток фотонов красного цвета наиболее часто используется в конструкциях дисководов. При дневном свете луч этого лазера виден не очень хорошо, но причина этому только невосприимчивость человеческого зрения. При мощности от 20-50 мВт и фокусировки светового пятна в минимально возможную по площади точку проявляется эффект «жжения». Мощность на 200 мВт при правильной фокусировке позволяет резать бумагу различной плотности. 532 нанометра Зелёный поток. Лазеры данного типа очень хрупки и чувствительны к температурным всплескам, требуют крайне осторожного обращения. К тому же обладают сложным устройством и до недавнего времени были крайне дорогими. Главный положительный момент их применения: зрительно излучение на 532 нм наиболее хорошо различимо. Поэтому использовать лазер зелёного цвета мощнее, чем на 5мВт будет небезопасно для зрения. Кроме того, в силу особенностей конструкции вместе с зелёным спектром лазер поставляет и инфракрасный с длиной волны на 808 нм и 1064 нм, а это только повышает травмоопасность такого прибора. Правда, в более дорогих экземплярах стоят специальные фильтры, но это обязательно нужно проверять. 405 нанометров Фиолетовое излучение. Опасно тем, что слабо различимо для человеческого глаза и кажется слабым по мощности, хотя на деле ситуация строго противоположная. Его трудно сфокусировать. В общем, в целях эксплуатации не самый удобный вариант. Может быть актуален разве что при работе с фоторезисторами. 780 нанометров Инфракрасное излучение. Опасно в силу того, что не воспринимается человеческим зрением от слова совсем. А это грозит различными травмами зрения. Работа возможна только при отсутствии инфракрасного фильтра, что обеспечит хотя бы относительную видимость луча. 10 микрометров Излучение также инфракрасное с надбавкой CO2. Наиболее широко применяется в промышленности. Подобные лазеры имеют низкую стоимость, высокую мощность и отличаются высоким КПД. Используются данные лазерные диоды для резки металла или фанеры. С их помощью выполняется гравировка. Заключение Сегодня электролампы, относящиеся к семейству светодиодов Luxeon производства компании Philips, служат в 100 раз дольше, а светят в 4 раза сильнее, чем обычные лампы накаливания. Главное — получен белый свет от энергии светодиода. До недавнего времени светодиодные лампы являлись всего лишь электроприборами, сообщающими о том, что принтер включен или что на автоответчике есть сообщение. Однако за последние годы компания Philips через свое участие в деятельности компании LumiLeds (совместное предприятие с компанией Agilent Technologies) искала пути увеличения размеров и яркости светодиодных ламп. Стояла задача заменить ими большую часть обычных ламп накаливания и люминесцентных ламп. В то время, как все цветные светодиоды включая красные, желтые, зеленые и синие годились для применения в автомобилях, светофорах и компьютерных мониторах, начиная с середины 90-х годов основная ценность светодиодного освещения — белый свет — оставалась более сложной проблемой. Даже при технологических прорывах Philips последнего периода, вероятно, понадобится около пяти лет для того, чтобы замена обычных ламп накаливания и люминесцентных ламп стала в достаточной мере доступной и рентабельной. При существующей технологии лучшие светодиодные лампы, дающие белый свет, уже намного более эффективны, чем лампы накаливания. Способность давать белый свет очень важна для любой осветительной технологии, если она должна совершить серьезный прорыв на общий рынок. Однако технология производства светодиодов, дающих белый свет, очень сложна. Существуют два пути создания белого света светодиодами. Первый заключается в смешивании красного, зеленого и синего света, второй — в использовании фосфора для превращения синего или ультрафиолетового излучения светодиода в белый свет. Работа в команде и глубокие знания сложной технологии позволили компаниям Lumileds и Philips Research создать светодиод, дающий белый свет. Технология еще находится на ранней стадии развития, но все признаки говорят о хороших перспективах. Светодиодные лампы обладают невероятно долгим по сравнению с обычными лампами сроком службы — от 50.000 до 100.000 часов (около 1000 часов для ламп накаливания и 7500 часов для люминесцентных ламп). Очень важно! При продолжении увеличения эффективности светодиодных ламп возникнут большие возможности для экономии энергии! Создание белого света с помощью этой технологии будет означать возможность изменения цвета и интенсивности света в помещении одним щелчком переключателя. Другими словами, это возможность уменьшения яркости белого освещения в гостиной до успокаивающего синего и романтического красного света без замены ламп. Еще одна дополнительная выгода заключается в том, что благодаря небольшим размерам светодиодных ламп светодизайнеры могут создавать компактные блоки ламп, с тем чтобы можно было легко направлять свет туда, где он действительно нужен. (Традиционные лампы накаливания относительно неуправляемы и излучают свет во все стороны.) И, наконец, об использовании светодиодов вне интерьера. Сегодня до 8% всех светофоров США работают на светодиодных лампах. А так как местные власти больше убеждаются в том, что сокращение расходов на электроэнергию и техобслуживание светофоров со светодиодными лампами по сравнению с таковыми, оснащаемыми обычными лампами накаливания, налицо, можно ожидать, что очень скоро эта доля сильно возрастет. Список литературы 1. Алфёров Ж. И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18. 2. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича. М., 1979. 3. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983. 4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972. 5. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. М., 1979. 6. Неменов Л. Л., Соминский М.С. Основы физики и техники полупроводников. Л., 1974. 7. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М., 1978. |