Напівпровідникове джерело випромінювання

1. Напівпровідникове джерело випромінювання (НДВ), що має випромінюючий елемент, яке відрізняється тим, що містить оптичний фільтр на робочу довжину хвилі з вузькою смугою пропускання, а випромінюючий елемент виконаний не менше як із двох випромінюючих кристалів з однаковими температурними коефіцієнтами забороненої зони, з'єднаних послідовно, спектри випромінювання яких рознесені по довжинах хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра, при цьому ширина P пропускання оптичного фільтра вибрана із співвідношення C T P, n а довжина хвилі і ширина спектра випромінюючих кристалів при T 300 К задовольняють умовам: k K P P - для парної кількості випроміню2 ючих кристалів, k K P P - для непарної кількості випромі2 нюючих кристалів, де T - інтервал зміни температури навколишнього середовища; n - кількість випромінюючих кристалів з різними довжинами хвиль; k - номер випромінюючого кристала, k = 1, 2, 3, 4, ... n з різними довжинами хвиль; C - температурний коефіцієнт зміщення спектра випромінюючих кристалів; 2 (19) 1 3 90289 4 хвиль об'єднані в одному корпусі. 10. НДВ за п.1 або 9, який відрізняється тим, що корпус НДВ виготовлений у формі зрізаного конуса або іншого концентратора випромінювання. Винахід відноситься до оптоелектроніки, безпосередньо до конструювання напівпровідникових приладів, які перетворюють електричну енергію в когерентне випромінювання. Напівпровідникові джерела випромінювання широко застосовуються в телекомунікації, спектроскопії, системах спостереження, фотоелектричних медичних терапевтичних приладах та можуть бути використані для приладів аналітичної техніки, де потрібна висока стабільність випромінювання по спектру в широкому інтервалі температур навколишнього середовища. Відомий світлодіодний пристрій [1], який містить один або декілька напівпровідникових випромінювачів світла, підкладку і лінзу та один або декілька послідовно з’єднаних елементів Пельтье. Технічний результат, який досягається при використанні світлодіодного пристрою є підвищення розсіюючої потужності та збереженні пропорційності параметрів входу-виходу, зокрема сили світла випромінювання від прямого струму через світлодіод. Недоліком даного світлодіодного пристрою є використання декількох елементів Пельтье, що значно збільшує споживану потужність пристрою, ускладнює його конструкцію та надійність. Відоме напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання [2], що містить активну область з матеріалу А3В5 і/або його твердих розчинів з заданою шириною забороненої зони та р-nперехід, введені додаткові активні області з певними параметрами та не менше ніж двома оптично зв'язаними активними областями між якими введено шар речовини із визначеним коефіцієнтом заломлення. Технічним результатом використання є підвищення ефективності його роботи та розширення діапазону випромінювання джерела в середню інфрачервону область спектру при підвищених температурах. Недоліком даного напівпровідникового джерела випромінювання є складність технології його виготовлення, за рахунок складних технологічних операцій при формуванні напівпровідникової мезаструктури та контактних площадок. Відсутність стабілізації потужності випромінювання і довжини хвилі в широкому діапазоні температур навколишнього середовища вимагає додаткових заходів для їх забезпечення. Найближчим за технічною суттю аналогом [3], який вибрано у якості прототипу є пристрій світловипромінювального діода (СВД) ІЧ-діапазону, що містить СВД ІЧ-діапазону, який випускає позитивну люмінесценцію при напрузі прямого зміщення і випускає негативну люмінесценцію при напрузі зворотного зміщення. Рівні напруг прямого і зворотного зміщень, що подаються засобом збудження, встановлюють так щоб при заданому рівні вхідної напруги прямого зміщення зміна вихідної потужно сті СВД із зміною температури була по суті рівною зміні вихідної потужності СВД із зміною температури при заданому рівні вхідної напруги зворотного зміщення і урівноважувалася вказаною зміною вихідної потужності СВД із зміною температури при заданому рівні вхідної напруги зворотного зміщення по всьому вибраному інтервалу температур, а різниця у вихідній потужності між позитивною люмінесценцією і негативною люмінесценцією СВД стабілізувалася відносно температури. Технічний результат, який досягається при використанні даного пристрою є зниження або взагалі відсутність вимог до стабілізації температури для стійкої роботи світлодіодів в інфрачервоному діапазоні. Недоліком даного пристрою є складність роботи пристрою СВД за рахунок попередніх встановлень прямих і зворотних напруг, що подаються засобом збудження на СВД з різними довжинами хвиль випромінювання та в послідуючому обробка одержаного випромінювання. Стабілізація потужності випромінювання в широкому інтервалі температур не приводить до стабілізації смуги випромінювання СВД, що є важливим параметром при конструюванні приладів газового аналізу. Завданням винаходу є стабілізація потужності та смуги випромінювання напівпровідникового джерела випромінювання (НДВ) при зміні температури навколишнього середовища при одночасному спрощенні конструкції. Поставлене завдання досягається таким чином, що НДВ, яке має випромінюючий елемент, містить оптичний фільтр на робочу довжину хвилі з вузькою смугою пропускання, а випромінюючий елемент виконаний не менше як із двох випромінюючих кристалів з однаковими температурними коефіцієнтами забороненої зони, з'єднаних послідовно, спектри випромінювання яких рознесені по довжинам хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра, при цьому ширина ΔλР пропускання оптичного фільтра вибрана із співвідношення C T P, n а довжина хвилі і ширина спектра випромінюючих кристалів при Т=300К задовольняють умовам k K P P - для парної кількості випро2 мінюючих кристалів, k K P P - для непарної кількості ви2 промінюючих кристалів, де ΔT - інтервал зміни температури навколишнього середовища; n - кількість випромінюючих кристалів з різними довжинами хвиль; k - номер випромінюючого кристала, k=1, 2, 3, 4, ... n з різними довжинами хвиль; 5 С - температурний коефіцієнт зміщення спектру випромінюючих кристалів; λK - довжина хвилі максимального випромінювання кристалів; λP - робоча довжина хвилі оптичного фільтра; ΔλP - ширина спектра пропускання оптичного фільтра. Стабілізація смуги випромінювання НДВ при зміні температури навколишнього середовища відбувається за рахунок того, що спектри випромінювання кристалів рознесені по довжинам хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра відповідно в довгохвильову і короткохвильову область спектра та мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони. Зміна температури приводить до однакового зміщення спектрів випромінювання кристалів в довгохвильову або короткохвильову область спектру по відношенню до робочої довжини хвилі оптичного фільтра. Стабілізація потужності випромінювання на робочій довжині хвилі НДВ здійснюється за рахунок використання не менше двох випромінюючих кристалів з'єднаних послідовно та керованого проходження прямого електричного струму через випромінюючі кристали. Спрощення конструкції відбувається за рахунок використання простого та технологічного у виготовленні оптичного фільтра та випромінюючих кристалів одержаних за планарною технологією. Запропонована конструкція НДВ не передбачає його термостабілізацію. На Фіг.1 схематично зображено конструкцію НДВ, що заявляється. НДВ містить випромінюючі 1 і 2 кристали та оптичний 3 фільтр з вузькою смугою пропускання. На Фіг.2 вказано розміщення спектрів 4 і 5 випромінювання кристалів 2 і 1 відповідно та спектральне 6 положення оптичного 3 фільтра. Випромінюючий 1 кристал має максимум довжини хвилі випромінювання зміщений у довгохвильову область спектру відносно робочої довжини хвилі оптичного 3 фільтру, а випромінюючий 2 кристал у короткохвильову область спектра. Напівпровідникове джерело випромінювання працює слідуючим чином. При прикладанні напруги до випромінюючих 1 і 2 кристалів через них проходить електричний струм в прямому напрямку і одночасно генерується випромінювання, яке падає на оптичний 3 фільтр. На виході НДВ формується монохроматичне випромінювання на робочій довжині хвилі. Зміна температури навколишнього середовища приводить до зміщення спектрів випромінювання кристалів 1 і 2 у відповідності із температурним коефіцієнтом зміни ширини забороненої зони. Для розширення інтервалу температур Т, в якому НДВ забезпечує стабільні параметри смуги випромінювання, випромінюючий елемент містить три і більше випромінюючих кристалів з відповідними довжинами хвиль. За п.2 формули винаходу, для спрощення конструкції НДВ оптичний 3 фільтр складається з двох герметично з'єднаних сапфірових підкладок на які нанесені оптичний фільтр, що обрізає короткохвильову область спектру та оптичний фільтр, 90289 6 що обрізає довгохвильову область спектру відносно робочої довжини хвилі НДВ. Обрізаючі оптичні фільтри технологічно простіші у виготовленні, так як існує широкий клас матеріалів для їх виготовлення та економічно вигідніші. При виготовленні НДВ був використаний оптичний фільтр з робочою довжиною хвилі λP=3,37мкм і шириною смуги пропускання ΔλP=0,08мкм. За п.3 формули винаходу, для підвищення зовнішнього квантового виходу випромінювання на робочій довжині хвилі, а отже і потужності випромінювання, випромінюючий елемент розміщений в просвітлюючому та фокусуючому середовищі на основі напівпровідникових халькогенідних стекол, що містять Ge, As, Sb, Bi, S, Se у відповідних пропорціях із заданим показником заломлення. Показник заломлення халькогенідних стекол на довжині хвилі λ=4,0мкм, в залежності від складу компонентів, змінювався від 2,2 до 3,0. Потужність випромінювання НДВ збільшилася у 2,5-4 рази, а діаграма направленості зменшилася з 120° до 60°, що привело до збільшення інтенсивності випромінювання вздовж оптичної осі НДВ. За п.4 формули винаходу випромінюючі 1 і 2 кристали утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу на основі твердих розчинів InGaAs та InAsSbP групи А3В5 за планарною технологією методом рідинно-фазної епітаксії із створеними в них р-n-переходами. За п.5 формули винаходу випромінюючі 1 і 2 кристали, що утворені на основі твердих розчинів InGaAs генерують випромінювання в інфрачервоній області спектру на довжинах хвиль 2,5-3,9мкм, а при використанні твердих розчинів на основі InAsSbP випромінюючі 1 і 2 кристали генерують випромінювання на довжинах хвиль 4,2-5,0мкм. При виготовленні НДВ випромінюючі 1 і 2 кристали одержувалися методом рідинно-фазної епітаксії із твердих розчинів GaxIn1-xAs з довжинами хвиль λ1=3,30мкм і λ2=3,44мкм та шириною спектра випромінювання кожного із них Δλ=0,3мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони рівний 3,3 10-4еВ/град. За п.6 формули винаходу, для збільшення потужності випромінювання НДВ працює в імпульсному режимі з однаковим або різним інтервалом часу. При переході з неперервного режиму роботи НДВ або з однаковим інтервалом часу (величина струму І=200мА, частота слідування імпульсів до 10МГц, скважність 2) на імпульсний режим роботи з різним інтервалом часу (І=1-10А, частота слідування імпульсів до 10Гц, тривалість імпульсу =100мкс) потужність випромінювання НДВ зростає в середньому на порядок. За п.7 формули винаходу, для збільшення потужності випромінювання НДВ, випромінюючий елемент містить однакову кількість випромінюючих 1 та 2 кристалів з'єднаних послідовно. Стабілізація потужності випромінювання на робочій довжині хвилі НДВ, при зміні температури навколишнього середовища, здійснюється за рахунок керованого проходження прямого електричного струму через випромінюючі 1 і 2 кристали. Робочий струм ІР, що проходить через випромінюючі 1 і 2 кристали рівний ІР=0,7ІМ, де ІМ - максимальний прямий струм, 7 90289 що проходить через випромінювальні 1 і 2 кристали і не приводить до різкого нагрівання р-nпереходу. За п.8 формули винаходу, для збільшення та стабілізації потужності випромінювання НДВ, випромінюючий елемент містить не менше двох випромінюючих кристалів з’єднаних паралельно в прямому напрямку проходження струму на одній довжині хвилі випромінювання та не менше двох випромінюючих кристалів з’єднаних паралельно в прямому напрямку проходження струму на іншій довжині хвилі випромінювання, які між собою з’єднані послідовно. За п.9 формули винаходу, для збільшення потужності випромінювання та розширення області використання НДВ, не менше двох випромінюючих елементів на робочу довжину хвилі або не менше двох випромінюючих елементів на різні робочі довжини хвиль об'єднані в одному корпусі. За п.10 формули винаходу, для збільшення потужності і звуження діаграми направленості випромінювання вздовж оптичної осі, корпус НДВ виконаний у формі конуса або іншого концентра Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 8 тора випромінювання. Даний винахід дозволяє одержати високоефективне НДВ із стабільною смугою та потужністю випромінювання в широкому діапазоні зміни температури навколишнього середовища і може бути реалізований на широкому класі матеріалів при одночасному спрощенні конструкції, так як відпадає необхідність у його термостабілізації. Література: 1. Патент РФ №2170995, Светодиодное устройство, МПК H01L33/00, дата публикации 2001.07.20. 2. Патент РФ №2154324, Полупроводниковый источник инфракрасного излучения, МПК H01L33/00, дата публикации 2000.08.10. 3. Патент України №57845 С2, Пристрій світловипромінювального діода (СВД) ІЧ-діапазону, датчик, що включає в себе пристрій СВД ІЧдіапазону, спосіб приведення в дію СВД ІЧдіапазону та спосіб роботи датчика, що містить СВД ІЧ-діапазону, МПК G01N21/35, H01L33/00, дата набуття чинності 15.07.2003. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601