Struktura

Generování světla, vlastnosti

Generování světla a jeho vlastnosti

Současně s vývojem kvalitních světlovodů bylo potřeba vyvíjet také převodníky, které budou měnit elektrický signál na světlo a světlo zpět na elektrický signál. Převodníky elektrický signál/světlo nazýváme generátory optického záření a převodníky světlo/elektrický signál nazýváme detektory optického záření. Vzhledem k požadované přenosové rychlosti se vývoj od začátku směřuje na polovodičové zdroje záření i detektory.

Světlo

Světlo je elektromagnetické vlnění, podobně jako rádiové vlnění, jen na mnohem vyšších frekvencích. Existují však také jevy, které vlněním vysvětlit nelze. Jedním z těchto jevů je chování světla v polovodičích. Tato problematika je pro komunikační systémy důležitá, protože jejich elektronika je založena na polovodičových prvcích citlivých na světlo.

Definice fotonu

Chování světla je ovlivněno faktem, že světlo je složeno z mnoha nepatrných částic. Částice světla se nazývá foton. Foton je nedělitelná částice s energií. Tato energie je úměrná energii světla. To tedy znamená, že čím je frekvence světla vyšší, tím je větší energie fotonu. Energii fotonu můžeme vyjádřit vlnovou délkou. Vztah mezi vlnovou délkou λ, frekvencí *f *a rychlostí světla *c *(300 000 000m/s) je dán vztahem:

λ = c / f [nm]

λ vlnová délka [nm]

c rychlost světla [m/s]

f  frekvence [Hz]

Generování světla

Hmota se skládá z atomů. Atomy se skládají z jádra a elektronového obalu. Jádro je tvořeno protony a neutrony. Protony jsou částice s kladným elementárním elektrickým nábojem. Neutrony jsou subatomární částice bez elektrického náboje. Elektrony jsou částice se záporným elementárním elektrickým nábojem. V elektronovém obalu obíhají elektrony, a to ve vzdálenosti, která je určena jejich energií. Čím má elektron větší energii, tím vyšší energetickou hladinu zaujme. Vyšší hladiny jsou více vzdálené od jádra. Tyto energetické hladiny jsou pro každý elektron přesně stanoveny.

Má-li elektron přejít ze stávající dráhy na dráhu vyšší, musí získat přesné množství energie k tomu určené. Nachází-li se na vyšší dráze a ztratí přesně stanovené množství energie, přejde na nižší dráhu. Obvykle se elektron nachází na nejnižší, základní hladině.

Když se elektron nachází na vyšší hladině než je hladina základní, v tzv. excitovaném stavu, neudrží se tam dlouho a musí se vrátit zpět na nejnižší hladinu. Tento přechod může elektron učinit dvěma způsoby:

  • přímý přechod

  • nepřímý přechod

Přímý přechod

Nachází-li se elektron na vyšší hladině (E2), může přejít na nižší energetickou hladinu (E1) bez účasti další částice. Tou je kmit krystalové mřížky, který má vlastní energii a nazývá se foton. 

Nepřímý přechod

Pokud se přechod z vyšší energetické hladiny do nižší dějě s pomocí fotonu, nazývá se přechod nepřímým přechodem. 

Návrat elektronu z vyšší hladiny s emisí světla může probíhat jako:

  • spontánní emise

  • stimulovaná emise

Spontánní emise – je samovolná, vzniká bez vnějšího podnětu.

Stimulovaná emise – vzniká jen v určitý okamžik, je podmíněna působením dalších vlivů, tedy srážkou s dalším fotonem.

Tyto obecné principy platí pro každý chemický prvek. Každý chemický prvek má vlastní strukturu energetických hladin. Pro daný prvek bude mít emitované světlo svou vlastní charakteristickou vlnovou délku.

Chování světla

Vycházíme-li z předpokladu, že světlo vyzářené ze světelného zdroje záření je svazek paprsků šířících se prostorem a tyto paprsky se šíří přímočaře, můžeme na ně aplikovat geometrické zákony.

Polovodiče

Materiály můžeme rozdělit podle jejich vodivosti na vodiče a izolanty. Zvláštní skupinu pak tvoří polovodiče. Polovodiče se za určitých podmínek chovají jako izolanty, za jiných podmínek pak mají znatelnou elektronickou vodivost. Je tedy zřejmé, že vodivost u polovodičů je závislá na okolních podmínkách. Fyzikální podmínky, které ovlivňují vodivost, jsou:

  • teplota

  • světlo

  • tlak

Nejběžnější polovodičové materiály jsou křemík (Si), germanium (Ge), selen (Se), nebo sloučeniny jako arsenid galia (GaAs).

Polovodiče hrají důležitou roli v elektrotechnických zařízeních, protože při výrobě elektrických součástek jsou právě polovodiče hlavním materiálem. V současné době máme mnoho druhů a typů polovodičových součástek, a to od nejjednodušších až po složité součástky jakými jsou například integrované obvody.

Mezi hlavní výhody polovodičových součástek patří malé rozměry a hmotnost. Jsou spolehlivé a mají dlouhou životnost. Jsou použitelné v širokém rozsahu frekvencí.

Vlastní polovodiče

Je to polovodič, který je dokonale čistý, neobsahující žádné příměsi a má stejné množství elektronů i děr. V přírodě se nevyskytuje, ale dá se k němu přiblížit pečlivou výrobou. Tyto polovodiče obsahují stejný počet elektronů a protonů. Při velmi nízkých teplotách (kolem 0 K) se chová jako izolant. Jako vodič se začne chovat až při vyšších teplotách.

Nevlastní polovodiče

Jsou to vlastní polovodiče, které jsou upravené atomy vhodných příměsí. Tyto úpravy polovodičů se provádí pro zlepšení vlastností polovodičů. Podle příměsí můžeme vyrobit polovodič typu P nebo polovodič typu N. Náboje v polovodičích přenášejí elektrony nebo díry. V nevlastních polovodičích jsou vždy oba typy nosičů. Ty, které jsou v převaze, se nazývají majoritní (většinově) a ty, které jsou v menšině, se nazývají minoritní (menšinové). Výslednou vodivost určují většinové nosiče.

V polovodičích typu N jsou ve většině elektrony a v menšině díry, v polovodičích typu P jsou ve většině díry a v menšině elektrony.

Polovodiče typu N

Jsou polovodiče, které vzniknou přidáním prvku z V. skupiny periodické soustavy prvků, např. arsen (As), fosfor (P) nebo antimon (Sb). Po přidání vhodného prvku vznikají volné elektrony a tyto elektrony vedou elektrický proud. Jsou to záporné nosiče náboje.

Polovodiče typu P

Jsou polovodiče, které vzniknou přidáním prvku z III. skupiny periodické soustavy prvků, např. indium (In), hliník (Al) nebo gallium (Ga). Po přidání vhodného prvku vznikají volné díry. Tyto díry se chovají jako kladné nosiče náboje.

Přechod PN

Přechodem PN rozumíme velmi tenkou oblast, kde přechází polovodič typu N na polovodič typu P. Důležitou podmínkou přechodu PN je to, že v místě přechodu nesmí být přerušena souvislost krystalické mřížky, aby elektrony mohly volně přecházet touto oblastí z jedné vrstvy do druhé. Na tomto principu fungují zdroje záření, jakými jsou lasery a LED diody, používané pro optoelektroniku. Ochuzená vrstva – je oblast okolo přechodu PN, která neobsahuje žádné elektrony ani díry. Situace je znázorněná na obrázku.

 

                                                                                                         

Obr. 1: PN přechod

Přechod PN lze zapojit:

  • v propustném směru

  • v závěrném směru.

PN přechod v propustném směru

Vznikne, připojíme-li kladný pól vnějšího zdroje napětí k oblasti P a záporný pól k oblasti N. Bude-li napětí dostatečně velké, kladně nabité díry a záporně nabité elektrony se budou pohybovat směrem k PN přechodu a bude jím procházet elektrický proud.

Bude-li tento elektrický proud příliš velký, může dojít k přehřívání přechodu. Již po několika mikrosekundách dochází k nevratnému poškození PN přechodu. PN přechod v propustném směru je zobrazen na obrázku.

                                                                      

 

Obr. 2: PN přechod v propustném směru

PN přechod v závěrném směru

Vznikne, připojíme-li záporný pól vnějšího zdroje napětí k oblasti P a kladný pól k oblasti N. Kladně nabité díry a záporně nabité elektrony se budou pohybovat směrem od PN přechodu. Přes přechod může téct jen proud vytvořený minoritními nosiči a ten je jen velmi malý. Bude-li připojené napětí příliš velké, dojde k napěťovému průrazu a PN přechod se zničí. PN přechod v závěrném směru je zobrazen na obrázku.

 

                                                      

 

Obr. 3: PN přechod v nepropustném směru

Homogenní a heterogenní přechod

Při výrobě PN přechodů se využívají různé profily přechodů.

Homogenní přechod - polovodiče P a N jsou vyráběny ze stejného materiálu. Homogenní přechod se využívá u čelně emitujících a hranově emitujících LED diod. Nevýhodou tohoto přechodu je malá účinnost a velká oblast vyzařování z LED diody.

Heterogenní přechod – skládají se ze dvou různých materiálů, které mají rozdílnou šířku zakázaného pásu energií. LED diody s tímto PN přechodem mají složitější strukturu, ale jsou výkonnější než diody s homogenním přechodem. Jsou také více využívané pro komunikační systémy.

Elektroluminiscence

Je jev, při němž dochází k přeměně elektrické energie na světlo. Tento jev vzniká vlivem elektrického pole na PN přechod. Vhodným výběrem materiálu a konstrukce PN přechodu lze dosáhnout toho, že PN přechod vyzařuje světlo na určité vlnové délce. Nejčastěji používané materiály jsou sloučeniny prvků z III. a V. skupiny periodické soustavy prvků. Množství vyzářeného světla je přímo závislé na velikosti proudu v propustném směru. To znamená, že při zvýšení proudu v propustném směru se zvýší množství vyzářeného světla. Samozřejmě pří snížení proudu se množství vyzářeného světla naopak sníží.

Zdroje

  • STRNAD, Stanislav. Optická vlákna a telekomunikace. 2. vydání Praha 1991, ISBN 80-900721-0-0

Obrázky:

  • Obr. 1: Archiv autora
  • Obr. 2: Archiv autora
  • Obr. 3: Archiv autora
  • Obr. 4: Archiv autora
  • Obr. 5: Archiv autora
 

Obrázek

Content img 3801

Obr. 4: Laboratorní zdroj záření pro generování vlnových délek z viditelného spektra a blízké infračervené oblasti

Obrázek

Content led

Obr. 5: Základní RGB diody LED

Logolink