Источники и приёмники Излучения, страница 7

При температуре выше абсолютного нуля вследствие теплового возбуждения часть валентных электронов переходит в вону проводимости; в валентной зоне при этом возникают свободные места — дырки. Термодинамическое равновесие характеризуется наличием равновесных концентраций основных носителей — дырок и электронов — соответственно в областях р и и, которые способны рекомбинировать с носителями противоположного знака в случае инжекции последних извне. Если приложить к переходу типа р — 1 — и напряжение в прямом направлении, то в зоне 1 появляются носители обоих знаков.

При рекомбинации этих носителей энергия от внешнего источника напряжения передается решетке полупроводника в виде тепловой или выделяется в виде световой энергии. Потенциальный барьер между областями р и и снижается, и электроны из области и диффунднруют в область объемного .заряда (зона на рис. !.20, а) и в область р, создавая там избыточную (неравновесную) концентрацию. Аналогично возникает избыточная концентрация дырок в области п и слое объемного заряда. На рис. 1.20, б на примере зоннопримесной структуры полупроводника показаны основные явления при рекомбинации.

Если электрон или дырка переходят нз одной зоны в другую, рекомбинация называется межзонной, или собственной (1). Во втором случае (П) переход осуществляется через прнмесный уровень. Такая рекомбннация называется примесной. Возможен и третий случай рекомбинации (!П). В результате межзонной нли примесной рекомбинации при исчезновении пары (электроиа и дырки) выделяется энергия, определяемая в первом случае шириной запрещенной зоны ЛЕео а во втором — шириной ЛЕ от зоны проводимости до примесного уровня.

Энергия может выделяться в виде светового кванта (1 = ЛЕ16) или передаваться и виде тепла (фонона) кристаллической решетке. В третьем случае энергия рекомбинирующей пары передается третьему свободному носителю тока, который в дальнейшем отдает полученную энергию в виде фонона. Переходы с выделением световых квантов называют излучательными, а в случае выделения фононов — безызлучательными. Наилучшими свойствами для излучательной рекомбинации обладает арсенид галлия СаАЯ, В зависимости от числа инжектированных носителей по отношению к состоянию термодяиамического равновесия в зоне проводимости увеличивается, а в валеитиой зоне уменьшается уровень населенности допустимых состояний. Прн малом уровне инжекции это отклонение может привести к спонтанным переходам, т.

е. к люминесценции, а при большой инжекции — после достижения инверсии населенности — к лаверному эффекту (интенсивному, когереитиому, монохроматическому высвечиванию с малым углом расходимостн луча). 30 фа,опас еа (а СГ1ектральиые характеристики люминесцентных светодиодов. Светодиоды излучают в спектральном 14 И 9 ~ 5 Ю интервале до нескольких десятков нанометров.'Длина вслны излуче- г1 ния определяется энергетической шириной зон полупроводника й~, Г чаще всего 1цирииой запрещенной воны ЛЕа: Х == (11с)/ЛЕа. Известные в настоящее время полупроводии- 1 риа давать источники света з видимой и ИК-Облзстчх спектра.

На рис. 1,21 показаны спек ры нзл,- ЧЕНЯЯ СВЕТОД1ЮДОВ. Спектрзл:ныс характеристики светодиодов зависят От рабочего диапазона температур. Спектр светодиода на основе Саада, легированного УГ1 и Ре, при комнатис1й температуре (кряазя б) имеет длину волны в макси- муме ),,ааа = 0.91 мкм и;пирипу ки уровне О,б максималььюго значения лХа,а =- 0,03 мкм, Г1ри повышении тсипшрзту)1ы Х „ УЗСЛИЧИВЯЕТСЯ, а ПРИ ПОЬИжсвин — а'ЧСИЬШЯСТСЯ, ГЗК ЖЕ Как И псирииа сгектс1альиой кривой. Изме1сеиис 1ет Г ~ 1ьа„а составляез прибля:кепио О.З им11С Гзи ДЛЯ СЯАЯ, леГировьиБОГО'>!и1'е, Хаоа-- 1 — О Об мкм Лчаа::. О Об мим (кривая б).

При Изменении темясрзт;.ры Х„, нзме— ияется слабо. Дия СзстодИОЯОВ Иа ОСНОВЕ Саар, ЛЕГИРозаииых Хп, Ее и 0„1аста =- О,бб мкм, Г114 ( Л).оа ==- О.,ОЗ МКМ (Кривая 4). ДЛя СВЕТО- е 1111 диодов яа основе д В(С модификации бН, легированных В и Н (кривая 3), Х 15А --= О,б мк;1, Ыа,а = 0,1 мкм с малым сдвиГом От те.илсрд уры. Используя ииые ак1ря 1 тивзГОРь1 люмииес1 еиЦии з Указан 1ых матершь1зх, можно получить светоизлучающис структуры с другим спектральным «Осгавом. 1Р Спектральные характеристики светодиода зази ят т'1ьже От плотности тока я 11 — и-переходе. При малых плотностях Рис.

1 ЯЗ Зависииость свободных носителей в зонах излучатель° ьса т а Г о и- иза 1ИРЯмза) РекомбинаЦЯЯ маловеРоЯтна. 1осиесо через р — а.оерс- Псвып епие же концентрации носителей иод а арсеииде галади упеличивает иитеисивность,екомбияаци- 1 б) Рис. 1.27. Вольт-енпернек характеристика сеетодиоде: у — светодиод яв основе Оядв; х — Овр: л — Э!С Зависимость полного прямого динамического сопротивления светодиода )тд ((д) — падающая. Это значит, что с ростом тока через светодиод его полное сопротивление уменьшается. Таким образом, инжекционный светодиод целесообразно питать от источника тока.

к По вольт-амперным характеристикам определяются стати ес ое )7д, остаточное тси, и динамическое (дифференциальное) )я' чсопротивления диода, напряжения отсечки (/ев и пробоя с/, (при обратном смещении на светодиоде), а также падение напряжения при номинальном токе. Р ассмотренные выше искусственные источники излучения непрерывно совершенствуются в соответствии с требованиями, предьявляемыми к ним наукой и техникой, улучшаются их параметры и характеристики. Появляются источники, основанные на новых принципах, обладающие принципиально новыми свойствами.

Например, разработаны светодиоды с переменным цветом свечения и т. д. й 1.5. Естественные источники излучения Солнце. К основным характеристикам Солнца как излучателя относятся его угловые размеры, энергетические и спектральные характеристики и степень их изменения по поверхности. В завс ости от характера излучаемой энергии у Солнца различают ифотосферу, обращающий слой, хромосферу и корону. Ф о т ос сф е р а является основным источником солнечного излучени непрерывным спектром.

В ней с увеличением глубины растет у я температура, что обусловливает потемнение диска к краю. О бСолн а. ращающий слой и хромосфераобраэуютатмосферу нца. Они состоят из светящихся газов, яркость которых в сотни в раэ меньше яркости фотосферы. К о р о н а представляет соб й нешнюю часть солнечной атмосферы и не имеет четкой наружной о границы, ее яркость в миллион раз меньше яркости фотосферы и не превышает яркости Луны в полнолуние. На характеристики . излучения Солнца влияют мл(2,) Вг/мхмьм солнечные пятна, периодичвость появления которых равна одиннадцати годам, Г000 взрывы и протуберанцы, появление которых апериодичяо, и постоянные неравномерности в фотосфере.

Спектр излучения Солнца ., ва пределами земной атмо: сферы примерно совпадает СО СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕР- 0 02 Д40040404244 10(В 20 22.Ь,млм ного тела, имеющего темпеРа- Ри . !.2э. спектры излучении солнца: . туру 6000 К Энергетическая е — вв мрвдвявмм атмосфера: у — яв уровмв светимость составляет 6,2х моря ' Х10' Вт/м'. До поверхности ' Земли от Солнца через атмосферу доходит в основном излучение в диапазоне длин волн 0,3 — 3;0 мкм с полосами поглощения, опре,, деляемыми содержащимися в атмосфере парами воды, углекислым газом и озоном. В приземных слоях атмосферы излучение Солнца эквивалентно излучению черного тела с температурой 5600 К (рис.

1.28). Энергетическая освещенность, создаваемая Солнцем на площадке, перпендикулярной к направлению на Солнце, вне земной атмосферы составляет 1360 Вт/м ' (в перигее 1407 Вт/м' и в апогее ' 1316 Вт/м'); на поверхности Земли освещенность лежит в преде- лах 616 — 913 Вт/м'. В видимой области спектра эа пределами ' атмосферы освещенность, создаваемая Солнцем, составляет 1,37х Х10' лк.

Иногда принимают, что в диапазоне 0,47 — 0,53 мкм цветовая температура Солнца равна 6500 К. Яркость солнечного диска уменьшается от центра к краям, одновременно меняется и спектральный состав излучения. Средняя яркость в видимом диапазоне 2х 10' кд/м '. В приэемных слоях максимальная освещен,'т ность составляет около 10' лк. Угловой размер солнечного диска при наблюдении с Земли равен приблизительно 32'. Земля. При наблюдении Земли нз космоса можно рассматривать две составляющие излучения: отраженный поток и собственное излучение.

Значения коэффициента отражения (альбедо) могут составить 0,1 — 0,8. Такой разброс альбедо объясняется различными метеоусловиями на отдельных участках земной поверхности и различными условиями их освещения Солнцем. По .'Р мере удаления от Земли ее альбедо становится все более интеграль- 1' яым, т. е.