Імпульсні джерела випромінювання

Імпульсною лампою називають газорозрядний прилад із двома основними струмоведучими електродами (катод, анод) та газовим проміжком між ними. Джерело на протязі короткого часу створює потужний світловий імпульс за рахунок імпульсу струму у газовому розряді. В лампі є також керуючий електрод підпалу.

Як правило імпульсні лампи підключають до конденсатора, при розряді якого і виникає коротчастий світловий імпульс (спалах) великої потужності та енергетичної світлості. Лампи мають спеціальну маркіровку в залежності від їх призначення та конструктивних особливостей. Цифри після позначень букви означають енергію імпульсу у джоулях, а для стробоскопічних ламп — середню електричну потужність у ватах.

Приклад: ІФП-2000 (імпульсна, фото освітлення, із компактною формою тіла свічення, 2000Дж в імпульсі).

Основні параметри імпульсних ламп:

U_з — напруга підпалу. Така напруга на живлячому конденсаторі, при якій в даній схемі при подачі підпалюючого імпульсу виникає розряд.

U_с — напруга само пробою. Така напруга, при якій виникає розряд без подачі керуючого (підпалюючого) імпульсу.

При збільшенні частоти імпульсів (спалахів) більше певного значення порушується можливість керування лампою. Виникають спонтанні спалахи і лампа може перейти в режим неперервного свічення. При зменшенні напруги з’являються пропуски імпульсів і лампа може вийти з режиму керування.

Для характеристик ламп введено поняття «межі керованості». Тобто для кожної лампи є границя напруги живлення, яка залежить від частоти. Наприклад: гранична частота для лампи ІСШ-15 (імпульсна, стробоскопічна, шарова, 15Вт) складає 6000Гц.

Рис.11. Частотні залежності напруг U_с, U_з для лампи ІСШ-15

Імпульс оптичного випромінювання характеризується:

— силою світла (в енергетичних одиницях потужністю, що випромінюється всім об’єктом лампи в одиниці тілесного кута), в функції різних моментів часу І(t) та її інтегральним значенням за певний час (що називається освіченням): ,

— яскравістю різних частин об’єкту, що світиться із часовою залежністю та її інтегралом по часу (інтегральною яскравістю).

— оптичною глибиною вимірюваного шару , або поглинанням власного випромінювання розрлду плазми.

— спектральним розподілом.

Картина зміни сили світла І(t) імпульсу випромінювання зображена на малюнку:

Рис.12. Залежність сили світла від часу.

Вона характеризується максимальним значенням сили світла І_m, довжиною імпульсу τ_і (час за який ), освічуванням, що являє собою

.

Аналіз осцилограм свічення імпульсних ламп свідчить про те, що при індуктивності розрядного контуру до 10 мкГн їх форма приблизно подібна та ілюструється приведеним вище малюнком.

Такі параметри, як , мають практично одинакові значення для різних типів ламп: , .

Тобто хід зміни сили світла із часом характеризується двома параметрами — освічуванням та часом (довжиною) імпульсу.

Свічення імпульсних ламп характеризується величиною світлової віддачі η_с, лм∙с/Дж

,

а також ККД розряду

, де — спектральна густина потоку випромінювання в момент часу t, — енергія одного імпульсу.

Для імпульсних трубчатих ламп справедливе таке наближене співвідношення лм∙с/Дж, де D — коефіцієнт ≈ 0,75 (для ксенонових та криптонових ламп із початковими градієнтами напруг ~ 500 В/см). Яскравість таких ламп при великих ємностях живлячого конденсатора і великих довжинах імпульсу буде наступною:

,

де — максимальні значення, — внутрішній радіус трубки, — віддаль між електродами. Інтегральна яскравість така:

.

Спектр випромінювання імпульсних ламп у видимій області спектра є суцільним і відповідає кольоровій температурі 6000K. У ближній ІЧ області (0,75-1,2мкм) спостерігаються потужні смуги резонансного поглинання:

Типова схема включення імпульсних ламп:

Напруга U підбирається трохи нижча за U_С. при замиканні кнопки «К» конденсатор С₂ розряджається через первинну обмотку «Т_Р», у вторинній обмотці виникає висока напруга, яка і виконує роль підпалюючого імпульсу, створюючи первинну іонізацію. Далі розряд конденсатора С, створює імпульсний струм ланки, який досягає тисяч ампер.

Світлодіоди

Н/п випромінювачі діоди (світлодіоди). Принцип їх дії заснований на явищі електролюмінісценції при протіканні струму в структурах з р-n переходом. Світлодіоди виконують функції, протилежні функціям фотоприймачів, тобто ефективно перетворюють електричну енергію в світлову. Когерентне монохроматичне або спонтанне свічення (люмінесценцію) в н/п можна отримати декількома типами збуджень (накачок): оптичним збудженням, збудженням пучками швидких електронів із високою енергією, збудженням імпульсами електричного поля (ударна іоніцація).

Найбільш розповсюдженим є метод збудження за рахунок інжекції носіїв заряду у р-n перехід. Розглянемо принцип інжекційного збудження.

Енергетична схема р-n переходу

У «р» області не основні носії з’являються за рахунок температурних переходів зон-зона, або малої кількості донорів.

, де — контактна робота виходу дірок, — контактна робота виходу електронів.

Напрямок поля запираючого шару із різницею потоків U_k виникає внаслідок дифузії основних носіїв заряду у р-n переході. При Т > 0 за рахунок донорних рівнів в n-області в зоні провідності переважають електрони (основні носіфї заряду), а в р-області в валентній зоні знаходяться дірки (основні носіфї заряду). У відсутності напруги U струм через р-n перехід відсутній. Дифузійний струм основних носіїв, що створює запиряюсий щар компенсується дрейфовим струмом неосновних носіїв (електрони р-області, дірки — n-області).

Прикладена до р-n переходу напруга U прямого напрямку приводить до зменшення потенціального бар’єру U_k (U­_k-U) і збільшення кількості нерівноважних електронів у «р» області, та дірок у «n» області р-n переходу. При рекомбінації цих носіїв виділяється енергія у вигляді світла та тепла. Найбільш характерні типи рекомбінаційних переходів зображені на малюнку.

Якщо Е, та Е₂ енергії електронів та дірок, що відраховані від відповідних рівнів Фермі, то умова рекомбінації . Тому свічення може виникнути при потенціалі . Інша частина енергії (Е₁+Е₂) постачається теплом, яке звільнює носії з локальних рівнів і піднімає їх на відповідну висоту, відраховану від країв відповідних зон.

Рис. 13. Рекомбінаційні переходи у н/п.

І — між зонні переходи

ІІ — перехід ЗП-домішковий рівень

ІІІ — перехід із збудженням електрона у зоні провідності

В наслідок міжзонної рекомбінації (І) виділяється або квант світла, або квант теплової енергії, яку сприймає кристалічна гратка у вигляді фонона. Аналогічно відбувається рекомбінація на домішковий рівень (ІІ). У випадку ІІІ енергія міжзонної рекомбінації передається іншому електрону в зоні провідності, після чого передається кристалічній гратці. Зауважимо, що при включені світло діода у зворотному напрямку (-U) провідність забезпечується не основними носіями.

Переходи із виділенням світлових квантів називають випромінюючими, а із виділенням тепла через фонони — не випромінюючими.

Найкращими властивостями для випромінюючої рекомбінації має арсенід галію GaAs. В залежності від числа інжектованих носіїв по відношенню до стану термодинамічної рівноваги в зоні провідності збільшується, а в валентній зоні зменшується рівень населеності енергетичних станів. При малому рівні інжекції це відхилення приводить до спонтанного випромінювання, а при значній інжекції це відхилення після досягнення інверсії населених рівнів може привести до лазерного ефекту (н/п лазер).

На малюнку приведена узагальнена світлова характеристика свічення р-n переходу

Рис.14. IU — вольт-амперна характеристика р-n переходу.

В — яскравість свічення.

Свічення при включенні в оберненому напрямку виникає за рахунок процесів ударної іонізації та тунельних процесів в запорному шарі (напруженість складає ~ 10⁶В/см) при його електричному пробої. Найбільш характерне свічення світлодіода при зворотному напрямку поля U дає карбід кремнію (SiC)

Спектральні характеристики світлодіодів. Світлодіоди випромінюють в спектральному інтервалі до декількох десятків нанометрів. Довжина хвилі визначається в першу чергу шириною забороненої зони н/п: . Відомі в даний час н/п матеріали дозволяють створювати світло діоди із свіченням в видимій та близькій ІЧ областях спектра. Деякі типові спектральні характеристики приведенні на малюнку

Рис.15. Деякі типові спектральні характеристики.

1 – GaP легований Zn,Fe,O₂, ,

2 – GaAs легований Zn,Fe, ,

3 – GaAs легований Si,Fe,

4 – αSiC модифікації 6H, легований BiN, ,

Криві приведені для кімнатної температури. При її збільшені зсувається в сторону більших довжин хвиль.

Яскравісні характеристики та температурні діапазони роботи. Яскравість в функції сили струму на початковій стадії має нелінійну ділянку.

Рис.16. Залежність яскравості від струму.

На лінійній ділянці b ~ 2-20 кд/м²∙мА, — струм р-n переходу, — початковий струм, при якому характеристика стає лінійною. В межах лінійної ділянки яскравість змінюється приблизно на 2 порядки.

Робочий температурний діапазон світло діодів на основі:

GaAs — 213 – 353К,

GaP — 213 – 343К,

αSiC — 263 – 343К.

В залежності від типу домішок зміна температури по-різному впливає на інтенсивність освічення.

Імпульсні властивості світлодіодів. Часова динамічна характеристика світлодіода визначається мінімальним часом наростання і спаду світлового імпульсу, завалом її верхівки при живленні його прямокутним імпульсом, а також мінімальною сквжністю імпульсів. Характерна динамічна характеристика світло діода при його живленні «П» подібними імпульсними переставлена на малюнку:

Рис.17. Спекрт люмінісценсії В(t) при живленні світлодіода прямокутним імпульсом U(t).

Довжина переднього та заднього фронтів залежать від постійної часу RC ланцюга, індуктивності діода та ланцюга живлення, а також від температури. Робота світлодіода в неперервному режимі часто обмежується лише температурою.

Фронти імпульсів світла у деяких типів світлодіодів при кімнатній температурі можуть бути рівними ~ 10^-9с, при частоті повторення імпульсів ~ 10⁷Гц. В імпульсному режимі яскравість на 1-2 порядки вище ніж у неперервному режимі.

Ефективність р-n переходу як джерела, його конструктивні особливості. Основною характеристикою випромінюючого світлодіода є зовнішній квантовий вихід, який являє собою добуток внутрішнього квантового виходу та коефіцієнта виходу випромінювання (оптичної ефективності приладу):

— зовнішній квантовий вихід, — внутрішній квантовий вихід, — оптична ефективність конструкції.

Зовнішній квантовий вихід можна визначити наступним відношенням:

,

де — число випромінених за 1с фотонів, — число носіїв струму введених в р-n перехід за 1с. , — інтегральна потужність випромінювання, е — заряд електрона, І — струм.

Коефіцієнт корисної дії світлодіода .

Якщо зауважити, що , де — напруга, що відповідає значенню , то між значеннями та буде такий зв’язок: .

Для оптико електронних приладів в першу чергу має значення зовнішній квантовий вихід. Він буде як правило меншим внутрішнього квантового виходу, що обумовлено поглинанням світла в матеріалі р-n переходу та струмових контактах, а також витратами на границях напівпровідник — оточуюче середовище. Діафрагма свічення істотно залежить від конструкції та оптичних властивостей матеріалу р-n переходу.

Найбільш високі зовнішній квантовий вихід мають світлодіоди з GaAs, виготовлені методом рідинної епітаксії. При струмі 100мА потужність випромінювання досягає 21мВт, що відповідає значенню .

Параметри світловодів, як елементів електричного ланцюга. Вони визначаються впершу чергу його вольт-амперною характеристикою. У всіх світлодіодів вона типова діодна із сильною зверх лінійністю, у прямому напрямку. Тому послідовно з діодом необхідно включати обмежуючий резистор, який забезпечує стійкий режим роботи світлодіода.

рис. Вольт-амперна характеристика світлодіоду на основі GaAs — 1,і світлодіоду на основі GaР — 2.

Для імпульсів струму довжиною 10^-6с, і менш еквівалентну схему світлодіода можна представити паралельним RC контуром із ємнісним С_g і омічним R_g опорами.

Із збільшенням прямого струму динамічний опір світлодіода R_g спадає, і тому повний опір z зменшується.

Природні джерела. Сонце, Земля, Місяць, планети, зірки, земна поверхня (ландшафт), небо, хмари, помірне сяйво.

Інформація про ці джерела добре представлена в літературі. Оптичні характеристики даних джерел істотні при створені різної спецапаратури.