Лазерные светодиоды

При индуцированном излучении световые волны имеют одинаковую частоту и направление излучения. Такое излучение называется монохроматическим, оно хорошо фокусируется и фильтруется световыми фильтрами.

Лазерную генерацию можно получить тремя способами: на основе переходов между электронными оболочками атома; с использованием вращательно-колебательного спектра молекул; на основе переходов между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике. Для лазерной генерации можно использовать практически любой материал.

Полупроводниковые лазеры используют арсенид галлия, легированный селеном или теллуром в n слое и легированный кадмием в р слое. Прибор выполняется в виде параллелепипеда с тремя полированными гранями и одной открытой для излучения. Накачка идет прямым током диода.

Лазерные светодиоды малогабаритны, но имеют расходящийся луч, широко используются для связи по световодам, обладают малой инерционностью и могут работать на частотах до нескольких гигагерц. При малых токах излучение некогерентное, при увеличении тока диод генерирует лазерное излучение. Примером использования лазерных светодиодов является оптическая указка, луч которой очень мало расходится.

Приемники оптического излучения

Приемники излучения преобразуют энергию ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения в электрический сигнал. Приемники делятся на тепловые, в которых эффект обусловлен нагревом, и фотонные приемники, когда само излучение вызывает ток. Фотонные приемники делятся на приемники с внешним (электровакуумные приборы), и внутренним (полупроводниковые приборы) фотоэффектом.

Остановимся на полупроводниковых приборах, в которых облучение разрывает электронные связи, что приводит к появлению носителей зарядов и, соответственно, появлению фототока. Фотоэффект может возникнуть. Если энергия квантов оптического излучения достаточна для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Энергия квантов оптического излучения увеличивается с ростом частоты, поэтому существует граничная частота фотоэффекта.

Фоторезисторы

Фоторезистор – полупроводниковый резистор. Сопротивление которого изменяется под действием светового потока. На рис. 1.36, а показана конструкция, на рис. 1.36, б зависимость фототока от светового потока, а на рис. 1.36, в вольтамперные характеристики.

а) б) в)

Рис.1.36. Конструкция и характеристики фоторезистора

Параметрами фоторезистора являются:

- темновое сопротивление;

- кратность сопротивления для предельного светового потока;

- удельная чувствительность, где

- световой поток, люмен;

L – освещенность, люкс;

S – площадь фотослоя;

U – приложенное напряжение.

Фоторезисторы, за счет большой площади фотослоя, обладают сравнительно хорошей чувствительность к световому потоку и большой инерционностью.

Фотодиоды

Фотодиод – прибор аналогичный обычному выпрямительному диоду с освещаемым p-n переходом. Работает за счет увеличения обратного тока диода при освещении p-n перехода. На рис. 1.37 приведены условное графическое изображение фотодиода и его световые характеристики.

Рис. 1.37 Условное графическое изображение и световые характеристики

фотодиода

Фототранзисторы

Фототранзистор – аналогичен обычному транзистору, но имеет освещаемую область базы. Работает за счет обратного тока коллектора, вызванного освещением базы и усиленного транзистором. Обладает на порядок более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Максимальный фототок составляет единицы миллиампер. Условное графическое изображение и световые характеристики приведены на рис. 1.38.

Рис. 1.38 Условное графическое изображение и световые характеристики

фототранзистора

Конструкции фотодиодов, фототранзисторов похожи на конструкцию светодиодов. В ряде случает, база фототранзистора имеет вывод для начального смещения.

Оптроны

Оптрон – это прибор, содержащий в одном корпусе источник и приемник света, связанные между собой оптически. Оптроны широко используются для обеспечения потенциальной развязки, заменяя трансформаторы. В качестве источника обычно используется светодиод, а приемником может являться фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор. Условное графическое изображение некоторых оптронов приведено на рис. 1.39.

а) б) в)

Рис. 1.39 Оптроны: а) – диодный; б) – транзисторный; в) – тиристорный

Основной для оптрона является передаточная характеристика . Передаточная характеристика близка к линейной только для пары лампа накаливания – фотосопротивление, остальные оптроны используют обычно в ключевом режиме. Диодные оптроны могут работать на высоких частотах 10⁶ – 10⁷ Гц, транзисторные оптроны обладают большим коэффициентом передачи, но более инерционные и работают на частотах до 10⁵ Гц. Варианты включения оптронов приведены на рис. 1.40.

Рис. 1.40 Схема включения диодного оптрона

Резистор R1 ограничивает ток светодиода, резистор R2 обеспечивает перераспределение питающего напряжения между фотодиодом и резистором, делитель R3, R4 создает смещение, обеспечивающее четкое срабатывание компаратора на операционном усилителе DA1. Работа схемы иллюстрируется диаграммами рис. 1.41.

Рис. 1.41. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу оптрона