Оптичні випромінюючі прилади (стр. 4 из 5)
Електролюмінісцентні дисплеї можуть компонуватись з різнокольорових об’єктів і створювати дисплеї розміром у багато квадратних метрів.
На рис.14 показані схеми електролюмінісцентних випромінювачів порошкового типу (а) та плівкового типу (б).
Рис.14. а) схема електролюмінісцентного випромінювача порошкового типу; б) плівкового типу.
На цих рисунках: 1 – скло; 2 – прозорий провідний шар; 3 – порошковий люмінофор; 4 – відбиваючий шар; 5 – металічний електрод; 6, 8 діелектричні плівки, 7 – плівковий люмінофор. Товщина шару 3, що містить зерна порошкового люмінофору, складає 50-80 мкм. У якості зв’язуючого діелектрика використовується легкоплавке скло, органічні та епоксидні лаки та інші речовини, що прозорі, мають високу пробивну напругу, хімічно інертні до кристалофосфору та вологостійкі. Непрозорим металевим електродом є шар алюмінію або сталевий підшарок. В електричному відношенні ця структура є конденсатором.
Електролюмінісцентні індикатори бувають 7-сегментні (типу ИТЭЛ). Вони випускаються червоного, зеленого, жовтого і блакитного кольорів, мають яскравість від 15 до 100 кд/м2, робочу напругу 160-240 В, працюють на частотах або 400 Гц, або 2...3 кГц. 35-елементні індикатори типу ЗЭЛ випускаються зеленого кольору, мають яскравість 20-25 кд/м2, робочу напругу 200...250 В, робочу частоту 400...1000 Гц.
Мнемонічні індикатори випускаються, наприклад, у вигляді 100-200 елементів різного кольору, мають яскравість 10-25 кд/м2, робочу напругу 200...240 В, робочу частоту 1000-1300 Гц.
Інжекційна люмінесценція
Інжекційна люмінесценція – світіння напівпровідника поблизу p-n переходу, включеного у прямому напрямку. Основними стадіями процесу є інжекція неголовних носіїв заряду через p-n перехід та їх випромінювальна рекомбінація з головними носіями.
У стані рівноваги, коли до p-n переходу не прикладена зовнішня напруга, концентрації носіїв заряду у р-зоні та n-зоні сталі, бо розділені потенційним бар’єром еUc, де е – заряд електрону, Uc – контактна різниця потенціалів . Зонна діаграма p-n переходу у стані термодинамічної рівноваги показана на рис.15,а, а при зміщенні – на рис.15,б.
Рис.1 Зонна діаграма p-n переходу: а) у стані термодинамічної рівноваги; б) при зміщенні.
У випадку рис.15,а електрони та дірки не можуть рекомбінувати одні з іншими, бо не зможуть подолати потенційний бар’єр. Якшо прикласти зовнішню напругу (рис.15,б), то термодинамічна рівновага порушується, виникає струм електронів в одну сторону переходу і дірок – у протилежну. рекомбінація електронів і дірок призводить до виникнення фотонів світла, а значить до випромінювання.
Світлодіоди
Перші джерела випромінювання на основі інжекційної люмінесценції (світлодіоди) з’явились у 1960-х роках. Перевагами світло діодів є простота модуляції, висока швидкодія, малі напруги живлення, надійність, мініатюрність. Довжина хвилі випромінювання світлодіода залежить від ширини забороненої зони напівпровідника та легуючими домішками. У табл. 2 наведені основні типи речовин, що використовуються у сучасних світлодіодах.
Таблиця 2. Основні типи речовин у сучасних світлодіодах
| Речовина | Довжина хвилі, нм | Квантовий вихід, % | Колір свічення |
| InGaAsPInGaAsPGaAs:SiGaAs:ZnGaP:Zn,OGaAsPAlGaAsPGaAsP:NAlInGaPGaP:NGaAsP:NAlInGaPAlInGaPGaP:NGaP:NInGaNZnTeSeGaNZnCdSeSiCInGaN | 15501300950900700700650630620590590585570565550514512490489470450 | 3-83-81222-40,2160,2-0,360,10,12510,40,72,65,30,0031,30,033,8 | ІнфрачервонийІнфрачервонийІнфрачервонийІнфрачервонийЧервонийЧервонийЧервонийЧервонийЧервоно-помаранчевийПомаранчевийПомаранчевийПомаранчево-жовтийЖовтийЖовтийЖовто-зеленийЗеленийЗеленийБлакитнийБлакитнийСинійСинє-фіолетовий |
Ширина спектру випромінювання залежить від механізму випромінювальної рекомбінації. Для випромінювачів на AlGaAs ширина спектру складає 30-45 нм, для світлодіодів на InGaAsP– 100-110 нм.
Зовнішній квантовий вихід випромінювання світлодіодів завжди менше за внутрішній, бо з кристалу може вийти лише частина фотонів, що виникла при рекомбінації. Повне внутрішнє відбиття призводить до того, що з кристалу може вийти тільки та частина випромінювання, яка падає на його поверхню в деякій зоні кутів. Наприклад для GaPпоказник переломлення n=3,3, а кут q=17,7°. В цих умовах через пласку поверхню (рис.16,а) може вийти лише 2% світла, що випромінюється p-n переходом.
Рис.16. Конструкції світло діодів: а) пласка; б) p-n перехід на мезі; в) з напівсферою; г) з пластмасовою лінзою.
На цьому рисунку: а – плаский кристал, б – мезаструктура, в – полу сферичний кристал, г – структура з лінзою; 1 – напівпровідник, 2 – p-n перехід, 3 – металічний контакт, 4 – пластмасова лінза. Функцію виходу можна підвищити, розміщуючи p-n перехід на так званій мезі – столоподібному виступі діаметром 0,1-0,2 мм (рис.16,б). Частина випромінювання відбивається від бокових граней та спадає на бокову поверхню під кутами, близькими до нормальних. Це дозволяє підвищити вихід випромінювання у 2-3 рази. Приблизно на порядок підвищується зовнішній квантовий вихід у світлодіодах, виконаних у вигляді напівсфери (рис.16,в), або споряджених пластмасовою лінзою (рис.16,г), оскільки повне внутрішнє відбиття в них практично виключається. Вихід можна підвищити ще приблизно у 1,5 рази, наносячи на поверхню просвітлюючи покриття, наприклад, плівки SiO, SiO2, Si3N4тощо.
Кутове розходження випромінювання світло діодів сильно залежить від їх геометрії і по рівню половинної інтенсивності приймає значення від 10 до 180° 9типові значення 50-60°).
По способу виведення випромінювання світлодіоди поділяються на поверхневі та торцеві (рис.17, де 1 – металічний контакт, 2 – підшарок n-GaAs, 3 – емітер N-AlGaAs, 4 – активний шар p-GaAs. 5 – емітер P-AlGaAs, 6 p+-GaAs, 7 – ізолятор SiO2, 8 – тепловідвід, 9 – випромінювання, 10 – оптичне волокно, 11 – епоксидна смола, 12 – металічний контакт, 13 – підшарок nGaAs, 14 – емітер N-AlGaAs, 15 – активний шар n-GaAs, 16 – емітер PAlGaAs, 17 – p—GaAs, 18 – ізолятор SiO2, 19 – тепловідвід, 20 – випромінювання).
Рис.17. Світло діоди: а) поверхневі; б) торцові.
У світлодіодах з поверхневим випромінюванням (рис.17,а) світло виводиться нормально до поверхні p-n переходу. Одна зі сторін кристалу притискається до тепловідводу, а випромінювання виводиться в оптичне волокно через отвір у підшарку. Зовнішній квантовий вихід у таких світло діодів складає 2-3%.
У торцевих світлодіодах (рис.17,б) випромінювання виводиться паралельно площині p-n переходу. Світло, розповсюджуючись уздовж активного шару має сильне самопоглинання, тому зовнішній квантовий вихід у торцевих світлодіодах нижче (0,5-1%). Але яскравість торцевих світло діодів приблизно у 5-10 разів вища за поверхневі.
Типи світлодіодних структур
Одиночні світлодіоди працюють у діапазонах інфрачервоного та видимого світла, хоча у останній час з’явились повідомлення про створення ультрафіолетових світлодіодів.
По конструкції вони поділяються на світлодіоди з поверхневим монтажем (рис.18,а), світлодіоди для монтажу скрізь отвори (по англійськи throughhole) – рис.18, б та світлодіодні лампи – рис.18,в.
а) 
б)
в)
Рис.18. Конструкції світло діодів: а) для поверхневого монтажу; б) для монтажу крізь отвори; в) світлодіодні лампи.
По формі перерізу світлодіоди можуть бути круглими, прямокутними, трикутними та ін. Вони використовуються у колах індикації різних приладів. У останній час з’явились світло діоди повищенної яскравості (так звані „суперяскраві світлодіоди”). За останніми даними яскравість одного світлодіода може складати до 25 кандел. Такі світлодіоди використовують у світлофорах, зовнішньому оздобленні архітектурних конструкцій і навіть для освітлювальних приладів.
Виготовляють також двох- або трьохкольорові світлодіоди, які складаються з окремих світлодіодів, але підбором струмів світлодіодів можна одержати цілу гаму різних кольорів.
Шкальні індикатори – прилади, в яких світлодіоди розміщуються у вигляді послідовних смужок. Вони використовуються для індикації рівня сигналу в аудіо- та відео апаратурі. Можливі режими поодинокого світіння світлодіоду у смужці, коли номер світлодіоду характеризує рівень сигналу, але частіше використовується режим, коли світиться ряд світлодіодів, чим більше їх світиться, тим більше рівень сигналу. Приклад конструкції шкального індикатору показаний на рис.19.
Рис.19. Конструкція шкального індикатору
Для стереоапаратури виготовляють шкальні індикатори з двома смужками світлодіодів, як правило, різних кольорів.
Різновидністю шкальних індикаторів є так звані „кластери”, в яких світлодіоди розташовують у круглій обіймі. Тут також кількість світлодіодів, що горить, показує рівень сигналу, але є інші варіанти використання. На рис.20 показана структура кластера.
Рис.20. Структура кластеру.
У склад кластерів можуть входити світлодіоди різних кольорів (наприклад, червоного, зеленого та синього) та в різній кількості (від 18 до 50).