Понятие о лазерах и лазерных диодах

 

Среди полупроводниковых компонентов не только светодиоды могут излучать свет. На основе кристаллов с электронной проводимостью из арсенида галлия можно создавать полупроводниковые лазерные диоды. Принцип работы лазеров сводится к индуцированно­му либо вынужденному монохроматическому излучению. Монохроматический свет - это излучение строго опреде­ленной длины волны. Генерирование квантов происходит вследствие перехода электронов с дальних электронных орбит на более близкие к ядру. Электроны стремятся занять орбиты близкие к ядру. Чтобы переместить электро­ны на более дальние энергетические уровни, требуется затратить энергию. Излучение квантов происходит когерентно по отношению к возбуждающему электро­ны воздействию. Под когерентностью подразумевается воздействие и его результат с одной фазой, направлен­ностью, частотой и поляризацией. Монохроматическое излучение исходит из активной среды лазера, которая преобразует энергию, подводимую к ней от генератора накачки в энергию электромагнитного поля. Генератор накачки берет энергию от источника питания. Чтобы получить излучение, необходимо соединить оптический резонатор с активной средой. От исполнения оптического резонатора и от способа получения излучения зависит когерентность. Оптический резонатор Фабри-Перо может состоять из двух стекол — прозрачного и непрозрач­ного, между которыми размещена активная среда из рубина или сапфира. Излучение проходит сквозь прозрачное стекло и излучается в пространство. Так как вырабатываемые лазером колебания когерентны во вре­мени и пространстве, можно сконцентрировать энергию в чрезвычайно тонком луче, что позволяет значительно увеличить дальность действия лазера.

В полупроводниковых лазерных диодах возникает инжекция дырок и электронов на границе p-n перехода, сопровождаемая монохроматическим излучением. Полупроводниковые лазерные диоды обладают высокой надежностью, малыми габаритами и массой и могут быть подключены к низковольтному источнику питания с на­пряжением всего несколько вольт. Благодаря указанным достоинствам лазерные диоды широко используют в лазер­ных головках считывания и записи CD и DVD приводов к компьютерам, оптических микросхемах, волоконно - оптических системах передачи информации на расстояние. Узкий луч невидимой глазом длины волны весьма трудно обнаружить. Лазерные системы позволяют извлекать информацию из дрожащего от звука голоса стекла и дру­гих веществ, что используют в работе соответствующие службы и органы. Однако узко направленный луч про­блематично точно навести на объект, поэтому применяют специальные устройства наведения. Так как типичные частоты лазерных систем составляют от 1014 до 1018 Гц, а в радиосистемах 1010 Гц то через лазерные системы можно пропустить значительно больше информации за фиксированный промежуток вре­мени, поэтому волоконно-оптические системы используют для связи модемов на больших расстояниях. Так как луч лазера монохроматический, можно, применяя систему узкополосных фильтров, многократно повысить помехо­защищенность системы связи относительно радиосвязи. В оптоволоконном кабеле на лазерное излучение не влияет свечение Солнца, звезд, фонарей и других ис­точников квантового шума, что позволяет минимизировать искажения информации при передаче.

К основным параметрам лазеров относят длину волны излучения, КПД, когерентность, габариты и массу. Лазерные системы подразделяют на следующие виды:

1. с прохождением излучения в открытом пространс­тве недалеко от поверхности Земли;

2. волоконно-оптические системы передачи больших массивов информации, например, между пользова­телем Интернета и провайдером;

3. научного изучения других планет, астероидов, ес­тественного спутника Земли;

4. инструменты хирургов для проведения бескровных операций вследствие разрезания с одновременным прижиганием тканей, применяемые чаще всего в офтальмологии, полостной и нейрохирургии;

  1. военные системы лазерного оружия, например, для точного наведения ракет на цель.

 

Классификация и система обозначений диодов

Классификация современных полупроводниковых диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно - технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:

Г, или 1 – германий или его соединения;

К, или 2 – кремний или его соединения;

А, или 3 – соединения галлия;

И, или 4 – соединения индия.

Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:

Д – диоды выпрямительные и импульсные;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

С – стабилитроны;

Г – генераторы шума;

Л – излучающие оптоэлектронные приборы;

О – оптопары.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональных возможностей) используются следующие цифры.

Диоды (подкласс Д):

1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого

тока не более 0,3 А;

2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого

тока более 0,3 А, но не свыше 10 А;

4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления более 500 нс;

5 – импульсные диоды с временем восстановления более 150 нс, но не

свыше 500 нс;

6 – импульсные диоды с временем восстановления 30…150 нс;

7 – импульсные диоды с временем восстановления 5…30 нс;

8 – импульсные диоды с временем восстановления 1…5 нс;

9 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных

носителей заряда менее 1 нс.

Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):

1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более

0,3 А;

2 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А;

3 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 А;

4 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А.

Варикапы (подкласс В):

1 – подстроечные варикапы;

2 – умножительные варикапы;

Туннельные диоды (подкласс И):

1 – усилительные туннельные диоды;

2 – генераторные туннельные диоды;

3 – переключательные туннельные диоды;

4 – обращенные диоды.

Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):

1 – смесительные диоды;

2 – детекторные диоды;

3 – усилительные диоды;

4 – параметрические диоды;

5 – переключательные и ограничительные диоды;

6 – умножительные и надстроечные диоды;

7 – генераторные диоды;

8 – импульсные диоды.

Стабилитроны (подкласс С):

1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

2 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

3 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В;

4 – стабилитроны мощностью не более 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В;

7 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

8 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

9 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В.

Генераторы шума (подкласс Г):

1 – низкочастотные генераторы шума;

2 – высокочастотные генераторы шума.

 

Примеры обозначения приборов:

 

2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В. КС620А – кремниевый стабилитрон мощностью 0,5…5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А.