Transcript Nekoherentní zdroje záření

Číslo projektu
CZ.1.07/1.5.00/34.0581
Číslo materiálu
VY_32_INOVACE_ENI-2.MA-13_Nekoherentní zdroje záření
Název školy
Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno
Autor
Ing. Miroslav Krýdl
Tematická oblast
ELEKTRONIKA
Ročník
druhý
Datum tvorby
26.6.2012
Anotace
Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky.
Prezentace je určena žákům 2.ročníku, slouží jako doplněk učiva.
Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora
Nekoherentní zdroje záření
Náhodné vyzařování kvant energie optického záření jednotlivými
atomy se vyskytuje ve všech přírodních zdrojích světla i v běžných umělých
světelných zdrojích :
• slunce
• žárovka
• doutnavka
• výbojka
• zářivka
• horské slunce
• elektrický oblouk
• elektroluminiscenční dioda LED (Light Emitting Diode)
V celkovém záření nekoherentního zdroje neexistuje prostorový nebo
časový vztah při záření jednotlivých atomů.
Nekoherentní zdroje optického záření se používají k přenosu
informací; při vyšších modulačních kmitočtech však nejsou všechny
použitelné, např. u žárovky má vyzařování vlákna určitou setrvačnost.
Kromě toho musí nekoherentní zdroj dobře navazovat na optické
přenosové prostředí, mít malou spotřebu energie, malé rozměry, kmitočtově
navazovat na fotoelektrický měnič přijímače apod.
Náročným požadavkům pro optické spoje vyhovuje z nekoherentních
zdrojů záření zatím pouze elektroluminiscenční dioda - LED.
Elektroluminiscenční dioda – LED (Light Emitting Diode)
LED dioda pracuje podobně jako polovodičový laser. K přechodu PN
přivádíme proud I v propustném směru.
Optické záření vzniká na přechodu při rekombinaci děr a elektronů.
Kmitočet záření závisí na volbě polovodičového materiálu; nejčastěji
se používá arzenid a fosfid galia.
Elektroluminiscenční dioda – LED (Light Emitting Diode)
Na rozdíl od polovodičového laseru není u elektroluminiscenční diody
vytvořen rezonátor. Záření v LED se šíří v polovodičovém materiálu přímočaře
všemi směry, na rozhraní polovodiče a okolí dochází k odrazům, čímž se
snižuje výstupní výkon záření.
Směrové vyzařovací vlastnosti LED se zlepšují zeslabením
polovodivé vrstvy, kterou záření vychází ven, nebo i jinými úpravami.
Soustředění vyzářeného výkonu jedním směrem je potřebné k jeho zavedení
do optického vlákna.
Elektroluminiscenční diodu modulujeme proudem. Modulační kmitočet
dosahuje nyní asi 100 MHz. Vyzářený výkon je v značném rozsahu přímo
úměrný budícímu proudu, takže LED lze použít k i přenosu analogových
signálů.
Nevýhodou LED je poměrně velká šíře pásma při spontánní emisi.
Dva typy PN přechodů
a) Homogenní přechody jsou nejjednoduššími
typy přechodů, které jsou vytvářeny z jednoho
typu materiálu na obou stranách dotovaného
příměsemi P a N. Diody s homogenním
přechodem byly první, které byly vyvinuty.
Využívají částečně průhledný materiál jako je
gallium arsenid (GaAs).
b) Heterogenní přechody se skládají ze
dvou různých polovodičových materiálů jako
např. GaAS a AIGaAS. Heterogenní přechody
obsahují více přechodů PN a jsou výkonnější
než diody s homogenním přechodem, složitější
a dražší. Jejich využití je význačné zejména u
laserových diod.
Obr. 1
Obr. 2
Barva vyzařovaného světelného paprsku
Diody LED mohou vyzařovat paprsky v infračervené, ve viditelné
nebo v ultrafialové oblasti.
Barvu vyzařovaného optického záření určuje použitý materiál,
vzájemný poměr složek jednotlivých materiálů a provedené dotace.
Např. diody vyrobené na bázi sloučeniny obsahující 35 %
galliumarsenidu a 65 % fosforu (označuje se GaAsC0,35P0,65) svítí červeně
(energie zakázaného pásu 1,95 eV), diody GaAs0,15P0,85 svítí žlutě (energie
zakázaného pásu 2,1 eV).
Nejčastěji používanými materiály jsou sloučeniny prvků III. a V.
skupiny periodické soustavy prvků jako GaP, GaAsP, GaAIAs, AIGaInP pro
barvy od zelené do červené, GaN, InGaN a SiC pro modře svítící diody.
Barva vyzařovaného světelného paprsku
Barva LED je často udávána v nm. Barvu LED určíme ze spektrální
charakteristiky.
Spektrální charakteristika udává poměrnou svítivost diody v závislosti na
vlnové délce. Obr. znázorňuje přiklad spektrální charakteristiky zeleně svíticí
LED.
Šířka spektra je udávána pro poměrnou svítivost 0,5 (50 % maximální
svítivosti diody), a je označena výrazem Dl.
Obr. 3
RGB LED diody
V názvu RGB jsou zahrnuty barvy R-red (červená), G-green (zelená), Bblue (modrá). Výrobci LED diod vyrábějí tyto diody v provedeních se čtyřmi,
případně se šesti vývody. Provedení se čtyřmi vývody mají propojené bud'
anody (společné anody) nebo katody (společné katody).
Příklad spektrálních charakteristik diod jednotlivých barev použitých v
RGB diodě. Pro porovnání je do grafu nakreslena i relativní citlivost
průměrného lidského oka na jednotlivé barvy (přerušovaná čára).
Hlavním účelem výroby RGB LED je možnost generace všech barev
včetně bílé.
Obr. 4
Bílé LED diody
Generování bílého optického záření je uskutečňováno dvěma způsoby
a) využitím více barevných LED;
b) použitím LED a luminoforu.
Bílé diody jsou nejmladším typem svítivých diod. Jejich význam
vzrůstá s vývojem technologií supersvítivých LED. Odstín bílého optického
záření je udáván barevnou teplotou.
Bílé LED diody
a) Při generování optického záření použitím vícebarevných LED jsou
využívány následující kombinace barev:
– modrá a žlutá;
– modrá – zelená - červená (RGB);
– modrá – zelená – žlutá - červená.
b) Kombinace LED a luminoforu:
– modrá LED a žlutý luminofor (jako žlutý luminofor je často používán
luminofor s označením YAG-Yttrium-Aluminium-Garnet (yttrium-hliníkgranát);
– UVLED a červený – zelený – modrý luminofor;
– kombinace modré a červené, případně jiných barev LED a luminoforů.
Bílé LED diody
Nejčastějším způsobem realizace bílé LED je z cenových důvodů
kombinace modré LED a luminoforu. Podle použitého luminoforu může mít
optické záření odstín od nažloutlé po namodralou barvu.
Napětí bílé LED v propustném směru je závislé na použitých
polovodičových materiálech a na její struktuře.
Zpravidla má hodnotu UF = 3,6 V, případně i větší.
Přijatelný způsob technologie výroby modré LED byl objeven začátkem
devadesátých let minulého století.
Modré diody jsou vzhledem k jejich krátké vlnové délce důležité hlavně
pro realizaci paměťových médii na optických discích, ve skenerech určených
pro skenováni obrazů, pro barevné tiskámy, biomedická diagnostická
zařízení apod.
Konstrukční řešení luminiscenčních diod
Destička polovodiče (1) se světlo emitujícím přechodem PN je
připájena na základnu (2), která vytváří vývod vrstvy P. Tenký kovový
vývodní drátek (3) připájený k vrstvě N je součástí druhého vývodu (4)
odizolovaného od základny průchodkou (5). Horní část pouzdra diody je
opatřena čočkou (6) k vytvoření žádaného vyzařovacího diagramu.
Obr. 5
Obr. 5
Vlastnosti luminiscenčních diod
•
Mají velmi rychlou odezvu, po přivedení (přerušení) propustného proudu dojde ke
vzniku (zániku) záření za dobu 10-7 až 10-9 s (u žárovek je to 10-2s).
•
Výkon potřebný ke vzniku záření je velmi malý, takže luminiscenční diody mohou
pracovat i v obvodech s nízkým napájecím napětím, aniž by narušovaly činnost
obvodu nebo vyžadovaly přídavné napájecí zdroje.
•
Mají malou hmotnost a rozměry a z toho vyplývající velkou odolnost proti
mechanickému namáhání.
•
Generované záření je přibližně monochromatické.
•
Lze je použít v mnoha provozních podmínkách.
•
Udržují stabilní vyzářený výkon
•
Velká životnost
•
Jsou levné
•
Používají se proto na kratších úsecích optických vláknových spojů, kde jejich menší
výkon stačí pro spolehlivý přenos signálu.
•
Na delších úsecích optického vlákna výkon LED již nestačí; kromě toho by se též
projevilo značné zkreslení přenášeného signálu s tak velkou šíří pásma zdroje
záření.
Vícebarevné luminiscenční diody
Obr. 6
Superluminiscenční dioda
využívá kromě spontánní emise též stimulovanou emisi záření.
Konstrukce superluminiscenční diody je podobná polovodičové
heterostrukturní laserové diodě, u které se omezí zpětná vazba
odstraněním jednoho reflektoru.
Superluminiscenční dioda vyzařuje pouze z jedné strany, má
vyšší výkon a menší šíři pásma proti LED.
Přednosti superluminiscenční diody:
 velmi rychlá odezva
 malý výkon potřebný ke vzniku
záření
 přibližně
monochromatické
generované záření
 použití
v
mnoha
provozních
podmínkách
Použití:
 zdroj záření pro optické vlnovody
 indikace stavů na řídících pultech
 pro zabezpečovací a poplašné
Obr. 7
systémy
Otázky ke zkoušení
1) Jaké jsou druhy nekoherentních zdrojů optického záření.
2) Nakresli principielní zapojení LED diody.
3) Jak se šíří optické záření u LED diody a jak lze měnit směrové vlastnosti vyzařování.
4) Vysvětli co je homogenní přechod PN u LED diody.
5) Vysvětli co je heterogenní přechod PN u LED diody.
6) Nakresli spektrální charakteristiku LED diody.
7) Vysvětli co je to RGB Led dioda.
8) Nakresli spektrální charakteristiku RGB Led diody.
9) Jaké jsou způsoby výroby bílých LED diod.
10) Jaké jsou vlastnosti LED diod.
11) Objasni co je to superluminiscenční dioda.
12) Jaké jsou vlastnosti superluminiscenční diody.
Použité zdroje:
Ing.Hubička, Václav. Elektronika – dodatek. Praha :NADAS, 1986. 98 s. ISBN 31-041-86-0538.
Obr. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 121: Ing.Hubička, Václav. Elektronika – dodatek. Praha :NADAS, 1986. 98 s. ISBN 31041-86-0538.
Ilustrace: archiv autora