Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Transkript

1 Optoelektronika elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD

2 Elektro-optické převodníky žárovka - nejzákladnější EO převodník nevhodné pro optiku široké spektrum vlnových délek vhodnost pro EO převodník určena jakostí Q λ Q = 0 λ

3 Luminiscence efekt složený ze dvou částí čerpání elektrony přecházejí na vyšší hladinu rekombinace uvolnění energie zářivá vyzáření fotonů (1 elektron vyzáří 1 foton) nezářivá vznik tepla typy luminiscencí závisí na principu přechodu elektronu na vyšší hladinu fotoluminiscence tribonoluminiscence elektroluminiscence katodoluminiscence injekční luminiscence

4 Fotoluminiscence zářivá rekombinace nadbytečných (nerovnovážných) nosičů proudu zánik páru elektron-díra získání nerovnovážných nosičů dopadem záření čerpání primární foton rekombinace přímá, nepřímá E = 2 1 E = hc λ1 hc λ 2 E > 1 E 2 hc hc > λ > λ 1 λ λ

5 Katodoluminiscence získání nerovnovážných nosičů dopadem elektronů vnitřní fotojev základ obrazovek urychlené elektrony el. polem eu předání energie katoda emituje elektrony

6 Injekční luminiscence injekční proces luminiscenční dioda barva záření řízena šířkou zakázaného pásu E g Si nemá zářivý přechod pouze fonony energie ve formě tepla GaAs vznik zářivého přechodu zářivý přechod pro sloučeniny prvků III. A a V. B skupiny (GaAs, GaP, GaN) λ = hc E g λ = hc E E c r

7 Injekční luminiscence kvadraturní skupiny lze řídit barvu diody = f ( x y) ( )( ) Ga Al P As E g, prahové napětí Si: U P =0,7 V GaAs: U P = 1,5 V barvu nelze řídit proudem proudem lze řídit intenzitu záření x 1 x y 1 y

8 Luminiscenční diody

9 Luminiscenční diody - LED polovodičová součástka s jedním PN přechodem emise monochromatického nekoherentního záření viditelné infračervené ultrafialové čelní emise emise z hrany modrá LED dioda - GaN Eg = 3,5 ev λ hc 0,38µ m Eg = = λ blue = 3, 5 ev

10 LED (Light Emiting Diode) široká oblast použití display kontrolky optická sdělovací vlákna infračervené záření svítidla světla pro automotivní techniku

11 LED injekční proces polarizovány v propustném směru velký odběr LED pro krátké vlnové délky heteropřechod různé materiály s různou velikostí zakázaného pásu musí být shodná krystalová mřížka

12 LED

13 Laserové diody laser = Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation zesilovač světla pomocí řízené emise monochromatické koherentní světlo prostorově a časově soufázové záření laser objeven 1954 Towsend, Basov, Prochorov laser v oblasti plynů - na bázi CO2, Ar, He-Ne laser v oblasti pevných látek nemají pro optické sdělování význam

14 Laserové diody stimulovaná emise mezi dvěmi (třemi) energetickými hladinami plyn hladiny dány energetickými poměry v ionizované molekule (atomu) pevná látka hladiny dány v pásu zakázaných energií soustava, kde elektrony se mohou vyskytovat na třech energetických hladinách E 1 valenční pás E 2 pás v zakázaném pásmu (rekombinační centrum) energetická hladina příměsí E 3 vodivostní pás

15 Laserové diody nevybuzený stav všechny elektrony na hladině E 1 dodání energie přechod na hladinu E 3 přechod zpět z E 3 na E 1 2 způsoby přímý přechod přechod přes hladinu E 2 E E 3 1 elektrony na E 2 setrvávají a ve vhodný okamžik přechází zpět na E 1 počet přecházejících elektronů z E 2 na E 1 menší než počet elektronů z E 1 na E 3 hromadění elektronů na E 2 vznik stimulované (řízené) emise E >

16 Laserové diody pásové energetické schéma podobné tunelové diodě přechod polarizován v propustném směru rozštěpení Fermiho hladiny splnění vztahu mezi kvasi-fermiho hladinami E E Fc Fv > hc λ základní funkce zesilovač světla zdroj světla nutná kladná zpětná vazba realizována zrcadly

17 Laserové diody

18 Laserové diody hlavní materiál polovodiče III. A a V. B skupiny (GaAs, InAs) viditelná oblast blízká infračervená oblast polovodiče II. A a VI. B skupiny (PbS, PbSe) vzdálená infračervená oblast

19 Laserová dioda x LED koherentní záření paprsek s velmi úzkou světelnou stopou monochromatické světlo nekoherentní záření paprsek s širokou světelnou stopou monochromatické světlo λ < λ laser LED

20 Koherentní x nekoherentní záření

21 Koherentní x nekoherentní záření

22 Kapalné krystaly (LQC) ve skutečnosti nejsou kapalné organické látky podobné složení jako mýdlo jehličkovitý tvar krystalu velice polární vlivem napětí mění molekulární strukturu určují množství procházejícího polarizovaného světla LCD - nejedná se přímo o převodník

23 Polarizace světla světlo příčné elektromagnetické záření nepolarizované světlo vektory E a H jsou různě posunuté, ale vždy kolmé E není definované mění svůj směr, vždy kolmé na směr šíření polarizované světlo E je přesně definováno kolmé na směr šíření polarizátory Pointingův vektor hustota výkonu r r r W P = E H 2 m = V m A m

24 LCD princip založen na elektromagnetických vlastnostech tekutých krystalů každý obrazový bod ohraničen dvěma polarizačními filtry, barevným filtrem (RGB) problém s pozorovacím úhlem (160 ) aktivní LCD podsvícení (zdroj světla)

25 LCD (Liquid Crystal Display) bez elektrického napětí světlo natočeno a prochází skrz polarizační filtry skrz display prochází plný jas podsvětlujících lamp bílá barva

26 LCD (Liquid Crystal Display) krystaly pod elektrickým napětím světlo neprochází druhým polarizačním filtrem výsledkem je černá barva

27 LCD napětí řízené tranzistory barevný LCD každý pixel složen z tří subpixelů (RGB) napětím řízené natočení krystalů ovlivnění jasové složky vznik milionů odstínů

28 LCD rozlišení např. 1600x pixelů vedle sebe, tj subpixelů velikost pixelů 0,12-0,29 mm ovlivňuje velikost úhlopříčky podsvícení výrazně ovlivňuje spotřebu katodové trubice LED diody lze regulovat intenzitu

29 LCD

30 Děkuji za pozornost