7.2: Пристрої, що включають спонтанні

Спонтанне випромінювання відбувається в багатьох комерційно доступних споживчих товарах. У цьому розділі розглядаються три категорії пристроїв, що перетворюють електрику в світло шляхом мимовільного випромінювання: лампи розжарювання, газорозрядні лампи, світлодіоди.

Лампи розжарювання

Лампа розжарювання - це пристрій, який перетворює електрику в світло за допомогою випромінювання чорного тіла. Ці пристрої, як правило, побудовані з твердої металевої нитки всередині скляної стінки вакуумної трубки. Через нитку розжарювання проходить струм, який нагріває її до температури в тисячі градусів. Високі температури використовуються тому, що видимий спектральний відгук денного світла близький до видимої спектральної реакції випромінювача чорного тіла при температурі 6500 К [87]. Основним обмеженням ламп розжарювання є їх ефективність. Значна частина електромагнітного випромінювання, що випромінюється радіатором чорноготіла, потрапляє за межі видимого діапазону.

Головною перевагою ламп розжарювання перед іншими технологіями є їх простота. З цієї причини лампи розжарювання були одними з найбільш ранніх розроблених ламп. Хамфрі Деві продемонстрував, що випромінювання чорного тіла може бути використано для отримання видимого світла в 1802 році, а практичні лампи розжарювання датуються 1850-х роками [88]. Для розробки цих практичних ламп розжарювання довелося розробити технологію вакуумного накачування, а також потрібна технологія очищення металу, використовуваного для виготовлення лампових ниток [88].

У чомусь лампа розжарювання схожа на антену. В обох випадках вхід приймає форму електрики, і ця електрична енергія перетворюється в електромагнітну енергію, проходячи через провідний провід. У антені вхід змінюється в часі для кодування інформації, а вихід - на радіо або мікрохвильових частотах. Однак в лампі розжарювання вхід зазвичай є змінним струмом і не містить інформації. Бажаний вихід лампи розжарювання - видиме світло, але вона також виробляє тепло і електромагнітне випромінювання на інфрачервоних частотах і на інших невидимих частотах. Крім того, антени, як правило, призначені для роботи на довжині хвилі, близькій до довжини антени, і такі антени можуть виробляти хвилі зі специфічною електромагнітною поляризацією та діаграмами випромінювання. Спонтанне випромінювання в лампах розжарювання, однак, обов'язково неполяризоване і некогерентне.

Газорозрядні лампи

Газовий розряд виникає, коли через плазму утворюється провідний шлях іонізований газ [89]. Газорозрядні пристрої перетворюють електрику в світло шляхом мимовільного випромінювання, коли утворюється цей тип провідного шляху. У 1802 році крім демонстрації випромінювання чорного тіла і пропозиції ідеї паливного елемента, Хамфрі Деві продемонстрував газорозрядний пристрій [3, с. 222] [88]. Приблизно в той же час продемонстрував газовий розряд [88]. Одна з перших практичних газорозрядних ламп, вугільна дугова лампа, була побудована Леоном Фукулем в 1850 році, і її використовували для театрального освітлення [88]. Розробка газорозрядних ламп вимагала можливості очищення газів на додаток до розробки технології вакуумного перекачування [88]. Приклади газорозрядних пристроїв, що використовуються сьогодні, включають лампи на пару натрію, ртутні дугові лампи, люмінесцентні лампи і неонові рекламні вивіски [89].

Газорозрядна лампа виготовлена з герметичної трубки, яка містить два електроди і заповнена газом. Скляна трубка містить газ, підтримує тиск газу та утримує домішки. Тиск газу всередині трубки може коливатися від\(10^{-4} Pa\) до\(10^5 Pa\) для різних ламп [87, с. 206]. Типовий інтервал між електродами становить близько сантиметрів [87]. Деякі неонові лампочки мають відстань між електродами 1 мм, тоді як багато люмінесцентних ламп мають відстань між електродами понад 1 м, а на електроди подаються від сотень до мільйонів вольт [89]. Трансформатори використовуються для досягнення цих високих рівнів напруги. Напруга між електродами іонізує газ всередині трубки і забезпечує подачу вільних електронів, які рухаються по провідному шляху між електродами [89]. Газ може бути іонізований, а електрони подаються іншими методами, такими як хімічні реакції, статичне електричне поле або замість оптичного поля [87, гл. 5]. Електрони також можуть подаватися в газ термоелектронним випромінюванням, киплячи електрони від катода.

Оптичні властивості лампи визначаються газом всередині трубки. Енергія, що подається електричним полем через електроди, або іншими засобами, збуджує електрони атомів газу до більш високих енергетичних рівнів. Спонтанне випромінювання відбувається лише між різними дозволеними рівнями енергії, тому випромінювання відбувається у відносно вузьких діапазонах довжин хвиль. Гази вибираються таким чином, щоб дозволити переходи енергетичного рівня в потрібному діапазоні довжин хвиль. Типові гази, що використовуються, включають гелій, неон, натрій і ртуть [87, с. 514].

Газорозрядні лампи класифікуються як пристрої тліючого розряду або пристрої дугового розряду. \(\PageIndex{1}\)На малюнку показана прикладна схема струму між електродами в залежності від напруги. Як показано на малюнку, струмовольтна характеристика газорозрядної трубки досить нелінійна. Однак його можна розбити на три загальні області, позначаючи темну область, область світіння та область дуги. Регіони відрізняються зміною ухилу вольт-амперної ділянки. Ця цифра використовується з дозволу [89], що дає більш детальну інформацію про фізику газових розрядів.

Темна область роботи відповідає малим струмам і напругам, а пристрої, що працюють в цьому регіоні, як кажуть, мають темний або таунсендський розряд. Оптичні випромінювання від пристроїв, що працюють в цьому регіоні, не є самоокупними. Хоча атоми газу можуть іонізуватися і стикатися з іншими атомами, ланцюгова реакція іонізації не відбувається. Перехід між темним і світлим розрядами називається іскровим [87, с. 160]. На рис. \(\PageIndex{1}\), VS - напруга іскроутворення. Друга область, що відповідає вищим струмам, називається областю світіння, і ця область називається самоокупною, оскільки іони стикаються і іонізують додаткові атоми газу, виробляючи більше вільних електронів в лавинному процесі. Значне спонтанне випромінювання відбувається в області тліючого розряду [87] [89]. Третя область, відповідна ще більш високому струму, називається областю дуги. Дугові розряди також є самоокупними [87, с. 290], і виробляється мимовільне випромінювання. Після встановлення дугового розряду для його підтримки потрібні відносно низькі напруги порівняно з напругами, необхідними для підтримки тліючого розряду.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Приклад вольт-амперних характеристик газорозрядної лампи. Малюнок використовується з дозволу [89].

Люмінесцентні лампи є різновидом газорозрядних пристроїв, що передбачає використання хімічних речовин з потрібними оптичними властивостями, званих люмінофорами [87, с. 542]. Напруга газу та електродів, що використовуються в люмінесцентних лампах, вибирається таким чином, щоб вироблене спонтанне випромінювання було на ультрафіолетових частотах. Ці УФ-фотони можуть вироблятися дуговим або тліючим розрядом. Ультрафіолетові фотони поглинаються молекулами люмінофора, а молекули люмінофора випромінюють світло на нижчих частотах. Приклади використовуваних люмінофорів включають силікат цинку, вольфрамат кальцію та сульфід цинку [87, с. 542].

світлодіоди

Світлодіоди - це пристрої, які перетворюють електрику в світло шляхом спонтанного випромінювання. Вони виготовляються з pn переходів в напівпровідниках. Про стиках обговорювалися в розділі 6.5. При застосуванні прямого зміщення поперек pn переходу електрони та дірки вводяться в спай. Енергія від джерела живлення збуджує електрони від валентної до смуг провідності. Ці збуджені електрони можуть протікати через матеріал набагато легше, ніж незбуджені електрони. Деякі електрони і дірки поблизу переходу об'єднуються і мимовільно випромінюють фотони в процесі. Деякі світлодіоди мають тонкий внутрішній, нелегований шар між шарами p-типу та n-типу на стику для підвищення ефективності.

Світлодіоди випромінюють світло у відносно вузькому діапазоні частот. Частота випромінюваного світла визначається енергетичним зазором напівпровідника. Напівпровідники використовуються тому, що енергетичний проміжок напівпровідників відповідає енергії ближніх ультрафіолетових, видимих або інфрачервоних фотонів. У той час як світло, що випромінюється світлодіодом, має вузький діапазон частот, лазери випромінюють світло з набагато більш вузьким діапазоном частот. Світлодіоди випромінюють світло у вузькому діапазоні частот, але додатки, такі як житлове освітлення, вимагають білого світла з більш широкою пропускною здатністю. Однією зі стратегій, що використовується для отримання білого світла від світлодіода, є використання люмінофорів. У такому пристрої світлодіод перетворює електрику в ближнє ультрафіолетове або синє світло. Люмінофори поглинають синє світло і випромінюють світло при менших енергіях, на довжині хвиль у видимому діапазоні. З цієї причини сині світлодіоди були особливо важливими для генерації білого світла. Минуло десятиліття від винаходу червоних світлодіодів у 1960-х роках, поки надійні сині світлодіоди не були розроблені в 1980-х і 1990-х роках. У 2014 році Ісаму Акасакі, Хіроші Амано та Шуджі Накамура були удостоєні Нобелівської премії з фізики за свою роботу з розробки синіх світлодіодів. Ці зусилля вимагали розробки технології осадження нових матеріалів, таких як нітрид галію, і це вимагало можливості осаджувати ці матеріали в дуже чистих шарах без механічного напруження, розриваючи матеріали на частини [90].

Пов'язаним пристроєм, який випромінює світло спонтанним випромінюванням, є органічний світлодіод, OLED. В OLED напруга збуджує електрони в тонкому шарі, 100-200 нм, органічного матеріалу, а тип використовуваного органічного матеріалу визначає довжину хвилі випромінюваного світла [91]. Деякі плоскі панельні дисплеї виготовляються з масивів OLED. Біле світло на цих дисплеях досягається поєднанням червоних, зелених та синіх світлодіодів поблизу один одного [91].

Світлодіоди - це невеликі пристрої, які часто можуть поміститися в кубічний міліметр. З цієї причини їх можна інтегрувати в електроніку легше, ніж такі пристрої, як лампи розжарювання та газорозрядні лампи, для яких потрібні вакуумні трубки. Світлодіоди вимагають низької напруги електрики для роботи. Оскільки вони вимагають невеликої кількості вхідної електроенергії, вони виробляють невелику кількість вихідної оптичної потужності. Лампи розжарювання і газорозрядні лампи мають переваги в додатках високої потужності, але масиви світлодіодів також можуть бути використані в цих додатках. Ще однією перевагою світлодіодів є те, що вони мають більш тривалий термін експлуатації. У газорозрядних лампах електроди розпорошуються, відкладаючи матеріал на поверхню трубки, обмежуючи термін служби приладу.