Создание уровня с инверсной заселенностью носителей,
Наличие активной среды,
3. Наличие “обратной связи”.
Следствием выполнения этих условий является когерентность и значительная монохроматичность излучения. В полупроводниковых лазерах рекомбинационное излучение выводится из кристалла через грань, перпендикулярную плоскости p-n-перехода. В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию лазеров с излучением из плоскости p-n-перехода.
Инжекционный лазер обладает большим набором положительных качеств. К ним относятся: малые размеры области свечения, высокая яркость даже при малой мощности излучения, высокий к.п.д., простота модуляции излучения током питания, монохроматичность излучения, возможность интеграции с другими твёрдотельными приборами на одной подложке. Одной из важнейших проблем при разработках лазеров является обеспечение высокой надёжности их работы. К настоящему времени длительность непрерывной работы лазера доведена до сотен тысяч часов. Особые трудности представляют деградация поверхностей граней и дефектов структуры кристалла. Также ИК-лазеры нуждаются в охлаждении до температур жидкого азота, а иногда и жидкого гелия.
Светоизлучающий диод (светодиод) представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода; разные части излучающей области излучают независимо друг от друга. Первые образцы светодиодов создавались на основе n-GaAs, p-область в котором образовывалась диффузией цинка. На рис. 10 представлены спектры излучения светодиода и инжекционного лазера на основе арсенида галлия.
Рис. 10. Конструкция лазера на p-n-переходе (а), спектр его излучения (б).
В настоящее время созданы светодиоды, излучающие в голубой, зелёной, жёлтой, оранжевой, красной и ИК областях спектра. Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах и световых табло для измерительных приборов, а также в устройствах оптоэлектроники. Недалеко то время, когда на их основе будут созданы светофоры и экраны для цветных телевизоров. По сравнению с обычными источниками света светодиоды имеют малые габаритные размеры, малые рабочие напряжения, высокое быстродействие (до 10-9 с) и большой срок службы.
Глава 3. Приемники излучения оптического диапазона, их основные характеристики. Шумы внешние и собственные шумы приёмников излучения.
Если на приемную площадку падает лучистый поток мощностью W, то чувствительный элемент поглощает эту энергию и преобразует в выходной сигнал uc. Обычно приёмники излучения работают в режиме линейной зависимости фотосигнала от падающего на него лучистого потока: uc = аW + b, где а = tga (рис.11), b – темновой сигнал, величина сигнала без освещения.
Рис. 11. Зависимость фотосигнала приемника излучения от падающего
на него потока излучения.
3. 1. Основные характеристики приёмников излучения.
Введем критерии оценки свойств приемников излучения, т.е. основные характеристики фотоприемников.
Чувствительность (спектральная) приемника: S = uc/W [B/Bт],
Порог чувствительности или эквивалентная мощность шумов – это минимальное значение входной величины, при которой отношение выходной величины к уровню всех помех на выходе uш равно определенному числу. Обычно эту величину относят к полосе пропускания усилительной системы Df.
P = 
[Bт/Гц1/2].
Обнаружительная способностьD*.Строго говоря, обнаружительная способность есть просто величина, обратная порогу чувствительности. Но более широко используется величина D*, умножением 1/Р на А1/2, корень квадратный из площади приемника А. Таким образом,
[см·Гц1/2·Bт-1].
Для измерения D* и Р используются излучение определенной длины волны или черное тело заданной температуры. Указывают также частоту модуляции, т.к. uш зависит от частоты.
Постоянная времениприемного устройства t - время выхода сигнала на максимальную величину. Эта величина в общем виде может быть рассмотрена с привлечением понятия времени жизни носителей заряда. Зависимость uc от времени t представлена на рис. 12. Можно записать:
uc = uc0(1 – e-t/t), где uc0 – равновесное состояние.
В приборах t может принимать значения (0.63 – 0.9)uc0. Если переходной период завершается при 0.9uc0, то t » 2.2t.
Рис. 12. Зависимость сигнала фотоприемника от времени.
При любых практических применениях приемника важную роль играет шум, ограничивающий предельные характеристики системы. Если выходной сигнал приемника мал, то система может быть ограничена шумом, например, усилителя, используемого для усиления фотоответа приемника. Когда выходной сигнал приемника достаточно велик, ограничивающим фактором может быть его собственные шумы. Мы имеем дело со статистической задачей. В статистической физике действует принцип неразличимости тождественных частиц. Не важно, какая частица находится в данной ячейке пространства, ставится вопрос лишь о числе частиц в данной ячейке пространства. Потоки фотонов, фононов, носителей заряда подчиняются определенным законам статистики (распределения). Статистические законы – вероятностные, со средним уклонением от измеряемой величины. Это приводит в детекторах излучения к появлению как внешних, так и собственных шумов, которые зависят от физических процессов, происходящих в приемниках излучения. Причины шумов – флуктуации падающего излучения, температурного фона, флуктуации какого - либо важного параметра рассматриваемого приемника. Перечислим основные шумы.
Внешние шумы- шумы внешнего происхождения.
а) Температурный шум – шум из-за изменения температуры окружающей среды, фона. Этот шум наблюдается у всех приемников, но особенно у тепловых. Снижение падающего фонового излучения можно достигнуть при использовании охлаждающего экрана.
б) Фотонный или радиационный шум, обусловлен флуктуациями числа фотонов, падающих на приемник из окружающего пространства. Он наблюдается практически у всех типов приемников.
Собственные шумы приемника.
а) Тепловой шум, или шум Джонсона, джонсоновский шум. Источником его является тепловое движение носителей заряда в материале приемника излучения.
б) Генерационно-рекомбинационный шум проявляется, как флуктуации числа носителей заряда, которые участвуют в процессах генерации и рекомбинации.
в) Шум р-n – перехода. Причиной является случайный характер прохождения потенциального барьера и диффузия носителей заряда в смежные области.
г) Шум, следующий зависимости 1/f. Мощность шума изменяется обратно пропорционально частоте. Источником могут быть поверхностные эффекты или электрические контакты. Им пренебрегают при частотах f>1кГц.
д) Дробовой шум обусловлен случайным характером электронной эмиссии при термоэлектронном эффекте.
Приемники излучения оптического диапазона по физическим процессам, на основании которых они работают, делятся на две большие группы – тепловые и фотонные.