Напівпровідниковий випромінюючий пристрій

Реферат: Винахід належить до оптоелектроніки, безпосередньо до конструювання напівпровідникових приладів, які перетворюють електричну енергію в когерентне випромінювання. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій для газоаналізатора, що містить випромінюючі активні елементи, які розміщені на одній теплопровідній основі та випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль, n 2 активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на m 2 заданих довжинах хвиль, узгоджених для кожного із m 2 інтервалів температур робочого діапазону, час та тривалість роботи активних елементів з р-n-переходами визначається датчиком температури і/або мікропроцесорним блоком керування в залежності від зміни температури оточуючого середовища. Технічним результатом винаходу є одержання напівпровідникового випромінюючого пристрою, який ефективно узгоджує його спектральні характеристики відносно до спектральної чутливості фотоприймача і/або спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища у широкому інтервалі температур та значно розширює область використання. UA 98824 C2 (12) UA 98824 C2 UA 98824 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до оптоелектроніки, безпосередньо до конструювання напівпровідникових приладів, які перетворюють електричну енергію в когерентне випромінювання. Напівпровідникові джерела випромінювання широко застосовуються в телекомунікації, спектроскопії, системах спостереження та можуть бути використані при розробці малогабаритних приладів аналітичної техніки в широкому інтервалі температур оточуючого середовища. Зміна температури оточуючого середовища, для всіх без винятку типів напівпровідникових джерел випромінювання та фотоприймачів, призводить до зміщення їх спектральних характеристик, внаслідок зміни ширини забороненої зони напівпровідникового матеріалу. При підвищенні температури напівпровідникових джерел випромінювання їх спектральні характеристики зміщуються у довгохвильову область спектра. Тому при вимірюванні величини потоку випромінювання оптоелектронним сенсором в широкому діапазоні температур із-за енергетичного зміщення максимуму в спектрі випромінювання напівпровідникового джерела має місце неузгодженість довжини хвилі у максимумі спектра випромінювання зі спектральним зміщенням фотоприймача. При вимірюванні концентрації газу в широкому діапазоні температур із-за енергетичного зміщення максимуму в спектрі випромінювання напівпровідникового джерела має місце неузгодженість довжини хвилі у максимумі спектра випромінювання з довжиною хвилі в максимумі смуги поглинання аналізованого газу, що яскраво ілюструє фіг. 1, де наведені відносні положення спектрів випромінювання напівпровідникового джерела та смуги власного поглинання аналізованого газу при 0 °C (а); 20 °C (б) та 40 °C (в). Температурні зміни енергетичного положення максимуму в спектрі випромінювання відносно до максимуму смуги поглинання, наприклад СО2, неминуче приводять до зміни величини сигналу на виході фотоприймача оптоелектронного сенсора газу і відповідно приводять до зменшення точності та чутливості вимірювання концентрації газу [1]. Відомий світлодіодний пристрій [2], 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 збереження 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 і не призводить до узгодженості спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача і/або спектра поглинання досліджуваного газу, спектральна характеристика якого також зміщується під дією температури оточуючого середовища. Відомий пристрій світловипромінювального діода (СВД) ІЧ-діапазону [3], 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 потужності 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 обернених напруг, що подаються засобом збудження на СВД з різними довжинами хвиль випромінювання та в подальшому обробка одержаного випромінювання. В широкому інтервалі температур відбувається стабілізація потужності випромінювання, однак не забезпечується узгодженість спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача і/або спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. За прототип винаходу взято напівпровідникове джерело випромінювання [3], яке 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, та спектри випромінювання яких рознесені по довжинах хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра відповідно в довгохвильову і короткохвильову область спектра. Технічний результат, який досягається при використанні даного напівпровідникового джерела випромінювання є 1 UA 98824 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стабілізація потужності та смуги випромінювання напівпровідникового джерела випромінювання в широкому інтервалі температур при одночасному спрощенні конструкції. Недоліком даного напівпровідникового джерела випромінювання є відсутність узгодженості спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача і/або спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища у широкому інтервалі температур. Задачею винаходу є забезпечення узгодженості спектра напівпровідникового випромінюючого пристрою (НВП) відносно до спектральної чутливості фотоприймача і/або спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища у широкому інтервалі температур та розширення області використання. Поставлена задача вирішується таким чином, що напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора, що містить випромінюючі активні елементи, які розміщені на одній теплопровідній основі та випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль, n 2 активних елементів з р-n-переходами, виконані з можливістю випромінювання в максимумах на m 2 заданих довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного із m 2 інтервалів температур робочого діапазону, датчик температури та мікропроцесорний блок керування, які в кожен момент часу визначають один із m 2 інтервалів температур робочого діапазону та режим роботи відповідних активних елементів з р-n-переходами. Робочий діапазон температур НВП задається m 2 інтервалами температур для кожного з яких узгоджені відповідні спектральні характеристики випромінювання активних елементів з р-nпереходами. Максимум довжини хвилі випромінювання активних елементів з р-n-переходами задається на середнє значення інтервалу температур, що дозволяє краще узгодити температурні зміщення спектральних характеристик активних елементів відносно до спектральної чутливості фотоприймача і/або смуги власного поглинання аналізуючого газу при зміні температури оточуючого середовища. Датчик температури і/або мікропроцесорний блок керування, в залежності від температури оточуючого середовища на даний момент, визначають робочий інтервал температур та активують відповідні активні елементи з р-n-переходами. Наявність датчика температури і/або мікропроцесорного блока керування пристроєм дозволяє безпосередньо або програмно вмикати активні елементи з р-n-переходами в будь-якій послідовності, що значно розширює область його використання. Крім того, за рахунок використання простих та технологічних у виготовленні випромінюючих активних елементів з р-nпереходами, одержаних на основі неперервного ряду твердих розчинів за планарною технологією, відбувається спрощення конструкції випромінювальної частини пристрою. На фіг. 1 наведені відносні положення спектрів випромінювання НВП та смуги власного поглинання газу СО2 при 0 °C (а); 20 °C (б) та 40 °C (в). На фіг. 2 схематично зображено конструкцію НВП, що заявляється. НВП містить теплопровідну 1 основу, на якій знаходяться заглиблення 2, в основі яких розміщені активні 3, 4 і 5 елементи з р-n-переходами. Бокова поверхня корпусу 7 НДВ, яка формує випромінювання активних елементів, виготовлена у формі зрізаного конуса або іншого концентратора випромінювання. Активні 3, 4 і 5 елементи з р-n-переходами випромінюють в максимумі на різних заданих довжинах хвиль і розміщені в просвітлюючому та фокусуючому 8 середовищі із заданим показником заломлення. Корпус 7 містить прозоре для випромінювання активних елементів вихідне 9 вікно. Активація активних 3, 4 і 5 елементів відбувається безпосередньо через струмовідводи 6 або програмно з використанням мікропроцесорного 11 блока керування та датчика 10 температури. На фіг. 3 наведено розміщення випромінюючих активних 3, 4 і 5 елементів з р-n-переходами у вигляді двох асиметрично розміщених лінійок. На фіг. 4 наведено розміщення активних 3, 4, 10 і 11 елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на заданих довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання газу відповідно для кожного інтервалу температур та активного 5 елемента з р-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу. На фіг. 5 наведена залежність максимуму довжини хвилі випромінювання активних 3, 4, 12 і 13 елементів з р-n-переходами від температури оточуючого середовища. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій працює наступним чином. При прикладанні напруги до випромінюючих активних 3, 4 і 5 елементів з р-n-переходами (фіг. 2), які випромінюють в максимумах на заданих довжинах хвиль, через них проходить електричний струм в прямому напрямку і одночасно генерується випромінювання. В залежності від температурного діапазону роботи даного НВП задається певна кількість інтервалів 2 UA 98824 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 температур, серед яких, один з них на даний момент визначається робочим інтервалом та якому відповідає наперед задана спектральна характеристика випромінювання активного елемента з р-n-переходом. На виході НВП формується монохроматичне випромінювання на робочій довжині хвилі. Зміна температури навколишнього середовища приводить до зміщення спектра випромінювання активного 3 елемента у відповідності із температурним коефіцієнтом зміни ширини забороненої зони. Для іншої температури оточуючого середовища, робочим інтервалом температур стає інший інтервал температур, якому відповідає наперед задана інша спектральна характеристика випромінювання активного 4 елемента. Наявність двох і більше заданих інтервалів температур, забезпечує краще узгодження температурних зміщень спектральних характеристик випромінювання активних елементів відносно до спектральної чутливості фотоприймача і/або смуги власного поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. Датчик 10 температури відслідковує зміну температури оточуючого середовища та з'єднаний з мікропроцесорним 11 блоком керування. Вмикання активних 3, 4 і 5 елементів з р-n-переходами забезпечується мікропроцесорним 11 блоком керування в різні моменти часу в залежності від швидкості зміни температури оточуючого середовища. Мікропроцесорний 11 блок керування НВП дозволяє програмно вмикати активні елементи з р-n-переходами в будь-якій послідовності. За п. 2 формули винаходу, для забезпечення стабільності параметрів роботи НДВ при підвищених температурах, НВП містить не менше двох активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на одній довжині хвилі. Відомо, що потужність світлового потоку джерела випромінювання, який містить активні елементи з р-n-переходами, зменшується при підвищенні температури оточуючого середовища. Збільшення кількості випромінюючих активних елементів з р-n-переходами приводить до збільшення потужності потоку випромінювання, що дозволяє забезпечити стабільність роботи НВП. За п. 3 формули винаходу, для розширення діапазону температур роботи НВП містить різну кількість активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених відповідно для кожного інтервалу температур. При пониженні температури оточуючого середовища, потужність випромінювання активних елементів з р-n-переходами на різних довжинах хвиль збільшується неоднаково, тому для деяких робочих інтервалів температур кількість активних елементів з р-n-переходами може бути зменшена. За п. 4 формули винаходу, для розширення області використання НВП, активні елементи з р-n-переходами утворені на основі твердих розчинів InGaAs і генерують випромінювання в інфрачервоній області спектра на довжинах хвиль 2,5-3,9 мкм. При використанні твердих розчинів на основі InAsSbP активні елементи з р-n-переходами генерують випромінювання на довжинах хвиль 4,2-5,0 мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони твердих -4 розчинів рівний 3,3х10 еВ/град. За п. 5 формули винаходу, для розширення області використання НВП, активні елементи з р-n-переходами випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання газу відповідно для кожного інтервалу температур. Для робочого діапазону температур (фіг. 5) від -20 °C до +50 °C довжина хвилі в максимумі випромінювання активних елементів з р-n-переходами зміщується з 4,0 мкм до 4,4 мкм, що дозволяє узгодити спектральні характеристики випромінювання активних елементів відносно до спектральної чутливості фотоприймача і смуги власного поглинання аналізованого СО 2 газу. За п. 6 формули винаходу, для розширення області використання НВП, додатково розміщені активні елементи з р-n-переходами випромінюють в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу. Для аналізованого СО 2 газу активний 5 елемент з р-n-переходом (фіг.4) випромінює на довжині хвилі 3,8 мкм. За п. 7 формули винаходу, для розширення області використання НВП, активні елементи 3 5 2 6 утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу групи А В або А В із створеною в ньому біполярною провідністю. За п. 8 формули винаходу, для розширення області використання НВП, особливо при розробці малогабаритних приладів аналітичної техніки, спектроскопії та телекомунікації активні елементи розміщені у вигляді випромінюючої лінійки або матриці. За п. 9 формули винаходу, для розширення області використання НВП та спрощення конструкції, активні елементи (фіг. 3) розміщені асиметрично. За п. 10 формули винаходу, для розширення області використання НВП та спрощення конструкції, активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу, розміщені відносно інших активних елементів всередині випромінюючої лінійки або матриці (фіг. 4). 3 UA 98824 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 За п. 11 формули винаходу, для розширення області використання НВП, активні елементи розміщені в просвітлюючому та фокусуючому середовищі із заданим показником заломлення. Підвищення зовнішнього квантового виходу випромінювання на робочій довжині хвилі, а отже і потужності випромінювання, відбувається при розміщенні активних елементів 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 =4,0 мкм, в залежності від складу компонентів, змінювався від 2,2 до 3,0. Потужність випромінювання НВП збільшилася у 2,5-4 рази, а діаграма направленості інтенсивності випромінювання набуває витягнутої форми вздовж оптичної осі НВП. За п. 12 формули винаходу, для збільшення потужності випромінювання НВП, активні елементи з р-n-переходами здатні працювати в імпульсному режимі з однаковим або різним інтервалом часу. При переході з неперервного режиму роботи НВП або з однаковим інтервалом часу (величина струму I=200 мА, частота слідування імпульсів до 10 МГц, скважність 2) на імпульсний режим роботи з різним інтервалом часу (І=1-10А, частота слідування імпульсів до 10Гц, тривалість імпульсу =100 мкс) потужність випромінювання НВП зростає в середньому на порядок. За п. 13 формули винаходу, для розширення області використання НВП, активні елементи здатні працювати, як незалежні активні елементи в будь-якій послідовності. За п. 14 формули винаходу, для збільшення потужності і звуження діаграми направленості випромінювання вздовж оптичної осі, відбиваюча випромінювання бокова поверхня корпусу НВП виготовлена у формі зрізаного конуса або іншого концентратора випромінювання. За п. 15 формули винаходу, для розширення області використання НВП містить прозоре для випромінювання активних елементів вихідне вікно або лінзу. Даний винахід дозволяє одержати напівпровідниковий випромінюючий пристрій, який ефективно узгоджує його спектральні характеристики відносно до спектральної чутливості фотоприймача і/або спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища у широкому інтервалі температур та значно розширює область використання. Джерела інформації: 1. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю., Ременный М.А. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра // Журнал технической физики.-2009. - Т.79, № 6. - С. 112-118. 2. Патент РФ № 2170995, Светодиодное устройство, МПК H01L33/00, дата публикации 2001.07.20. 3. Патент України № 57845 С2, Пристрій світловипромінювального діода (СВД) ІЧ-діапазону, датчик, що включає в себе пристрій СВД ІЧ-діапазону, спосіб приведення в дію СВД ІЧдіапазону та спосіб роботи датчика, що містить СВД ІЧ-діапазону, МПК G01 N 21/35, H01L33/00, дата публікації 15.07.2003. 4. Патент України № 90289, Напівпровідникове джерело випромінювання, МПК(2009) H01L33/00, дата публикации 2010.04.26. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора, що містить випромінюючі активні елементи, які розміщені на одній теплопровідній основі та випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль, який відрізняється тим, що містить n 2 основних активних елементів з p-n-переходами, виконаних з можливістю випромінювання в максимумах на m 2 заданих довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного із m 2 інтервалів температур робочого діапазону, датчик температури та мікропроцесорний блок керування, які в кожен момент часу визначають один із m 2 інтервалів температур робочого діапазону та режим роботи відповідних активних елементів з р-n-переходами. 2. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за п. 1, який відрізняється тим, що на кожній з довжин хвиль в максимумах випромінюють не менше двох основних активних елементів з р-n-переходами. 3. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що містить різну кількість основних активних елементів з р-n-переходами для кожної з довжин хвиль випромінювання. 4 UA 98824 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 4. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-3, який відрізняється тим, що основні активні елементи з р-n-переходами виконані з можливістю випромінювати в інфрачервоному діапазоні світла. 5. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-4, який відрізняється тим, що основні активні елементи з р-n-переходами виконані з можливістю випромінювати в максимумах на довжині хвилі, узгодженій відносно до спектральної чутливості фотоприймача відповідно для кожного інтервалу температур. 6. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за п. 5, який відрізняється тим, що містить додаткові активні елементи з р-n-переходами, виконані з можливістю випромінювати в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу. 7. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-6, який відрізняється тим, що основні та додаткові активні елементи утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар якого містить біполярну провідність. 8. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-7, який відрізняється тим, що основні та додаткові активні елементи розміщені у вигляді випромінюючої лінійки або матриці. 9. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-8, який відрізняється тим, що основні та додаткові активні елементи розміщені у вигляді випромінюючої матриці асиметрично. 10. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за п. 6, який відрізняється тим, що додаткові активні елементи з p-n-переходами, які виконані з можливістю випромінювати в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу, розміщені відносно основних активних елементів в середині випромінюючої лінійки або матриці. 11. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-10, який відрізняється тим, що основні та додаткові активні елементи розміщені в просвітлюючому та фокусуючому середовищі із заданим показником заломлення. 12. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-11, який відрізняється тим, що основні та додаткові активніелементи виконані з можливістю працювати в імпульсному режимі з однаковим або різним інтервалом часу. 13. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-12, який відрізняється тим, що основні та додаткові активні елементи виконані з можливістю працювати як незалежні дискретні елементи в будь-якій послідовності. 14. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-13, який відрізняється тим, що основні та додаткові активні елементи розміщені у корпусі, відбиваюча випромінювання бокова поверхня якого виготовлена у формі зрізаного конуса або іншого концентратора випромінювання. 15. Напівпровідниковий випромінюючий пристрій газоаналізатора за одним з пп. 1-14, який відрізняється тим, що містить прозоре для випромінювання основних та додаткових активних елементів вихідне вікно або лінзу. 5 UA 98824 C2 6 UA 98824 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7