Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение в оптоэлектронику

оптическая электроника прибор полупроводниковый лазер

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, посвященный генерации, переносу, преобразованию, запоминанию, хранению и отображению информации на основе совместного использования электрических и оптических явлений и процессов. В соответствии с этим определением физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и оптических в электрические, процессы распространения излучения в различных средах, эффекты взаимодействия электромагнитных излучений оптического диапазона с веществом. Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники, среди которых следует отметить физику фотоэлектронных приборов, квантовую и полупроводниковую электронику, светотехнику и ИК технику, волоконную и нелинейную оптику.

Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств определяются следующими факторами:

1. Высокая информационная емкость оптического канала связи, обусловленная тем, что частота световых колебаний (1013 - 1015 Гц) на три - пять порядков величины больше максимальных частот радиотехнического диапазона. Так, если для передачи телевизионного изображения требуется полоса частот 5 МГц, то в метровом диапазоне (около 300 МГц) можно передать около десятка телевизионных программ, а в оптическом в миллион раз больше. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (порядка 108 бит/см2). 2. Острая направленность светового излучения позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать информацию в заданную область пространства, фокусировать лазерный луч на фотоприемник в пределах микронных и субмикронных размеров. 3. Возможность двойной - временной и пространственной модуляции светового потока. Минимальная элементарная площадка в перпендикулярной световому потоку плоскости составляет величину порядка квадрата длины волны (10-8 см2). Это открывает огромные возможности для параллельной обработки информации. 4. Передача информации с помощью электрически нейтральных фотонов обеспечивает: - отсутствие электрических и механических контактов в системе;

- идеальную гальваническую развязку входа и выхода;

- однонаправленность потока информации и отсутствие обратного влияния приемника на источник;

- возможность создания сильно разветвленных коммуникаций, нагруженных на несогласованные разнородные потребители энергии;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, отсутствие взаимодействия в самих каналах связи - отсюда высокая помехозащищенность, отсутствие взаимных наводок.

5. Возможность непосредственного оперирования с зрительно воспринимаемыми образами, визуализация электрических сигналов.

6. Возможность существенного продвижения в область функциональной микроэлектроники, создания функциональных оптоэлектронных устройств и систем. Необходимость развития оптоэлектроники связана и с тем, что классическая микроэлектроника не может комплексно решить задачу микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Такие элементы и компоненты, как импульсные трансформаторы, реле контакты, кабели, разъемы, электронно-лучевые трубки и т.д., плохо стыкуются с интегральными микросхемами и отличаются громоздкостью, невысокими эксплуатационными характеристиками, малой надежностью и высокой стоимостью. Именно на долю перечисленных компонентов приходится 90 - 95% объема, массы, потребляемой мощности, числа отказов и стоимости современной РЭА. Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления этих противоречий. Более того, оптоэлектроника позволяет существенно повысить быстродействие современных ЭВМ и объемы перерабатываемой информации. Таким образом, оптоэлектроника, начав свое развитие с дополнения и усовершенствования современной микроэлектроники, в будущем позволит создать принципиально новые, функциональные средства информационной техники. Отметим основные исторические этапы развития оптоэлектроники.

1864 г. - Дж. К. Максвелл сформулировал основные уравнения электродинамики.

1887 г. - Г. Герц открыл и в 1888 году А. Г. Столетов провел исследования внутреннего и внешнего фотоэффектов.

1917 г. - А. Эйнштейн показал возможность создания вынужденного (индуцированного) излучения.

1947 г. - Д. Габор создал основы голографии.

1954 г. - А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, Ч. Таунс создали молекулярный генератор на аммиаке, положивший начало развитию квантовой электроники.

1960-1965 гг. - разработка и создание целого ряда лазеров - твердотельных, газовых, полупроводниковых.

Промышленное производство конкретных оптоэлектронных приборов и устройств началось сравнительно недавно, в 1965 - 1970 годах. Элементная база современной оптоэлектроники включает в себя следующие основные группы приборов.

1. Источники излучения, в качестве которых чаще всего используются полупроводниковые лазеры (когерентные излучатели) и светодиоды (некогерентные излучатели).

2. Фотоэлектрические приемники излучения - фоторезисторы, фотоприемники с р-n-переходом.

3. Приборы и устройства для управления излучением - модуляторы, дефлекторы, управляемые транспаранты и др.

4. Приборы для отображения информации - индикаторы, индикаторные панели.

5. Приборы для электрической изоляции - оптроны.

6. Оптические каналы связи, волоконно-оптические световоды и линии.

7. Оптические системы и устройства для запоминания и хранения информации.

На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечня преимуществ оптоэлектроники. К перспективным направлениям развития оптоэлектроники можно отнести разработку оптических и оптоэлектронных микросхем, источников и приемников излучения на основе квантовых точек и ям в полупроводниковых структурах, волоконно-оптических датчиков и линий связи, голографических устройств, квантовых компьютеров и др.

2. Оптическое излучение и его основные характеристики

Оптический диапазон в соответствии с определением Международной комиссии по освещению (МКО) включает в себя электромагнитные излучения с длиной волны л от 1мм до 1 нм. Указанный диапазон достаточно широк, длинноволновая его часть - 0,1-1мм перекрывается с субмиллиметровыми радиоволнами, коротковолновая часть - 1-10 нм включает в себя мягкое рентгеновское излучение. Оптическое излучение подразделяется на видимое, инфракрасное (ИК) и ультрафиолетовое (УФ). Инфракрасное излучение иногда разделяют на ближнюю (л <3 мкм) и дальнюю (л >3 мкм) область.

Рис.2.1. Шкала электромагнитного волн.

Природа света:

- волновая - свет представляет собой электромагнитные колебания, излучаемые атомами при изменении их энергетического состояния;

- корпускулярная- фотоны рассматриваются как корпускулы, когда речь идет о взаимодействии света с веществом.

В волновом аспекте свет распространяется со скоростью с=3·10⁸м/с, а в веществе с меньшей скоростью v=c/n_в, где n_в- показатель преломления. Частота ? и длина волны л взаимосвязаны л= V/ ?=c / n_в ?.

В корпускулярном аспекте монохроматическое излучение можно представить, как поток элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарной энергией Е_ф= h?, h= 6,626·10^-34Дж·с- постоянная Планка.

В веществе электроны связаны с атомами, и чтобы стать свободными, они должны получить энергию Е_св равную энергии их связи. При поглощении фотона атомом происходит освобождение электрона, если

Е_ф> Е_св; максимальная длина волны излучения, способная вызвать освобождение электрона, называется пороговой длиной волны л_s=hc/ Е_св, т.е. л_s[мкм]= 1,237/ Е_св [эВ].

Основные характеристики излучения

В пределах оптического диапазона излучения от 100 до примерно 10 нм область видимого излучения простирается от примерно 380 до 780 нм. Спектральная чувствительность адаптированного к свету человеческого глаза достигает максимума в центральной зелёной области и быстро спадает в красной и синей областях.

Исторически сложилось так, что за фотометрические единицы принимались такие характеристики излучения, которые связаны с его воздействием на глаз человека. Однако часто для описания свойств излучения и его взаимодействия с веществом пользуются энергетическими единицами. Измерение же энергетических характеристик излучения входит в задачи радиометрии.

Таким образом, в оптоэлектронике пользуются двумя системами единиц: фотометрической и энергетической. Например, КПД излучателя определяют энергетическими единицами, а зрительное ощущение от его излучения -- фотометрическими.

В табл. 1. приведены основные энергетические и соответствующие им фотометрические единицы.

Таблица 1. Основные энергетические и фотометрические единицы

Энергетическая величина	Обозначение	Единицы	Фотометрическая величина	Обозначение	Единицы
Энергия излучения	Qе	Дж	Световая энергия	Q?	лм*с
Поток излучения (мощность)	Фе ,Р	Вт	Световой поток	Ф?	лм
Энергетическая светимость	Ме	Вт/м2	Светимость	М?	лм/м2
Энергетическая освещенность	Ее	Вт/м2	Освещенность	Е?	лк
Сила излучения	Iе	Вт/ср	Сила света	I?	кд
Энергетическая яркость	Ве	Вт/м2	Яркость	В?	кд/м2

В отечественной и зарубежной литературе широко используется внесистемный термин -- интенсивность излучения (intensity). Английскому "intensity" соответствует русское "сила света", и согласно ГОСТу, это понятие относится к характеристике излучателя. Однако этот термин часто применяют и к излучению, падающему на поверхность фотоприемника. Поэтому единицами измерения могут быть Вт/(ср*м²) (это совпадает с единицей яркости) или Вт/см² (и тогда это соответствует единице светимости или освещенности).

Иногда при работе с излучением сложного спектрального состава под интенсивностью понимают спектральную плотность мощности излучения
?Р/?л (Вт/нм). Между величинами, приведенными в табл. 1, существует строгая связь. Рассмотрим эти величины подробнее.

Поток излучения - основной параметр системы энергетических величин- средняя мощность, передаваемая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебании

, [Вт], (2.1)

где Ф_е (л)- спектральное распределение потока излучения

Энергия излучения

, [Дж]=[Вт·с] = [6,24·10¹⁸эВ]. (2.2)

Энергетическая сила света (сила излучения)- пространственная плотность потока излучения

- отношение потока излучения к телесному углу, в пределах которого заключен этот поток

, [Вт/ср] (2.3)

где Щ- телесный угол, имеющий в вершине источник излучения:

, [ср]= [стерадиан], (2.4)

А_сф-площадь сферической поверхности; r_cф-радиус сферы.

Энергетическая светимость -поверхностная плотность потока излучения- поток излучения, отнесенная к единице площади излучающей поверхности

, [Вт/м²], (2.5)

где dА_ист- площадь элемента поверхности источника. Светимость недостаточно полно характеризует параметры излучателя, поскольку не учитывает направленность потока излучения.

Энергетическая яркость- сила излучения с единицы излучающей поверхности в данном направлении, отнесенная к площади ортогональной проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную указанному направлению:

, [Вт/(ср·м²)] (2.6)

где I_cи - энергетическая сила света в направлении нормали ;

dA_ист- площадь элемента поверхности источника;

и - угол между нормалью к излучающей поверхности и направлением, в котором производится измерения силы излучения .

Энергетическая освещенность- мощность потока излучения, приходящаяся на единицу площади облучаемой поверхности

, [Вт/м²], (2.7)

dА_прм- площадь элемента поверхности приемника.

Для определения характеристик излучения по произвольному им световому ощущению, т.е. по реакции глаза человека, пользуются теми же величинами, что и при энергетической фотометрии, но с учетом чувствительности глаза к различным участкам видимого спектра.

Коэффициент спектральной световой эффективности - отношение величины светового потока к величине потока излучения для той же длины волны

, (2.8)

Коэффициент относительной спектральной световой эффективности- нормированный коэффициент спектральной световой эффективности

, (2.9)

Кривая относительности спектральной световой эффективности

Максимум чувствительности V(л_max) =1 приходится на длину волны л_max=0,555мкм при этом К_лmax= 683 лм/Вт.

Определение световых величин аналогично определениям соответствующих энергетических величин. Любая величина Х_? в визуальной фотометрии может быть получена из соответствующей ей энергетической величины Х_е:

- в случае монохроматического излучения

, (2.10)

В случае непрерывного излучения [л₁, л₂]

. (2.11)

Аналогичным образом может быть проведена оценка и для любого другого селективного фотодетектора, т.е. приемника, обладающего неодинаковой чувствительностью к излучению различных длин волн. В этом случае в формулу необходимо подставить вместо кривой относительной световой эффективности V(л) функцию относительной спектральной чувствительности детектора S(л)

3. Источники излучения

Источниками излучения называют приборы, преобразующие электрическую энергию возбуждения в оптическое излучение заданного спектрального состава и пространственного распределения. Источники - основа любой оптоэлектронной системы, они определяют ее функциональные возможности, эксплуатационные и стоимостные характеристики, свойства остальных элементов - фотоприемников, пассивных оптоэлектронных элементов.

1. Возбуждение оптического излучения

Любое излучение тела, в том числе и оптическое, сопровождается потерей энергии. Для обеспечения непрерывности излучения необходимо пополнять убыль энергии. По виду восполнения энергии различают два вида излучения: тепловое и люминесценцию.

Тепловое излучение возникает тогда, когда энергия, уносимая излучением, пополняется сообщением телу соответствующего количества тепла. Тепловое излучение существует для всех тел, температура которых отлична от нуля (Т?0), но интенсивность и спектр излучения зависят от их температуры.

Для абсолютно черного тела светимость описывается законом Стефана-Больцмана:

е_т = уТ⁴, (3.1)

где у = 5,67*10^-12 Вт/см2*К⁴.

Для серых тел спектральная плотность светимости

Е_Т=А_Т*е_Т, (3.2)

где коэффициент А_Т<1. Длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения абсолютно черного тела, определяется температурой излучающего тела в соответствии с законом смещения
Вина - Т*л_max = b = 2898 мкм*К. Если излучающий материал не соответствует абсолютно черному телу, то величина постоянной b имеет меньшее значение, зависящее от температуры. Для вольфрамовой нити в лампах накаливания - b_w = 2660 мкм*К.

Спектральная плотность светимости (Вт/см³) определяет распределение интенсивности излучения в зависимости от его спектрального состава. Для абсолютно черного тела в диапазоне от 0,5л_max до 3л_max сосредотачивается 90% всей мощности теплового излучения.

Полное описание свойств и характеристик теплового излучения основывается на использовании формулы Планка для спектральной плотности светимости абсолютно черного тела:

E_лT = 2рhc²л^-5/(exp hc/лkT - 1), (3.3)

с учетом эмпирических параметров, учитывающих отклонение свойств используемых материалов от абсолютно черных тел.

Тепловое излучение широко используется в лампах накаливания, которые относительно редко используются в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах. В то же время лампы накаливания являются до сих пор наиболее распространенными осветительными приборами. В вакуумной колбе источником теплового излучения является вольфрамовая нить, нагретая до температуры ~2450 К, ограниченной началом интенсивного испарения нити. При этой температуре максимум интенсивности излучения соответствует инфракрасной области л_max = 1,1 мкм, т.е. лампы накаливания больше греют, чем светят. В связи с этим они имеют сравнительно низкую светоотдачу ?10 лм/Вт и КПД 1,6%. Более высокую эффективность имеют газонаполненные лампы накаливания, в которых стеклянные колбы наполнены инертным газом (N₂, Ar₂). В них замедляется распыление нити, поэтому температура накала может быть повышена до 2700-2900 К, что обеспечивает уменьшение длины волны максимальной светимости и повышение светоотдачи до 20 лм/Вт и КПД до 3,5%.

К достоинствам ламп накаливания можно отнести низкую стоимость, высокую температурную и радиационную стойкость, высокую интегральную яркость ~ (1-10)*106 кд/м2 (для сравнения - яркость поверхности Солнца равна 1,5*1010 кд/м2). Недостатками ламп накаливания являются наличие вакуумной системы, широкий спектр излучения, значительная инерционность (10-2- 10-1с), низкий КПД.

Более распространенным в оптоэлектронных источниках излучения является использование нетепловых источников излучения, использующих различные виды люминесценции.

Люминесценция -- излучение, избыточное над тепловым и имеющее длительность значительно больше периода колебаний световой волны. Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового излучения, т.е. люминесценция является «холодным свечением» -- энергия для излучения может подводиться любым нетепловым способом. В то же время необходимо учитывать, что любой вид люминесценции сопровождается и тепловым излучением тела, температура которого всегда отлична от нуля. Вторая часть определения позволяет отделить люминесценцию от процессов отражения света от поверхности и рассеяния излучения.

Люминесценция сопровождается передачей энергии телу нетепловыми способами, когда энергия частиц, в частности, электронов увеличивается, и этот избыток энергии расходуется на излучение фотонов. В веществе за счет энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных уровней переходит на более высокие, затем возвращаются с испусканием фотонов, длина волны излучения определяется разностью энергий электронов - л(мкм) = 1,23/(Е₂-Е₁) (эВ). Люминесценция подразделяется по способу подвода энергии на фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию, радиолюминесценцию, хемилюминесценцию и др. В оптоэлектронике в источниках излучения используются в настоящее время в основном процессы электро-, катодо- и фотолюминесценции.

Явление электролюминесценции используется в твердотельных источниках излучения, где в качестве материалов применяются полупроводниковые вещества. В полупроводниках ширина запрещенной зоны, определяющей энергию перехода электронов, соответствует энергии квантов оптического диапазона. Соответственно, энергия возбужденных электронов должна совпадать по порядку величины с энергией возбуждения и энергией излучаемых фотонов. Часто возбуждение электронов происходит в одном месте кристалла или во всем его объеме, а их квантовые переходы с излучением - в другом, поэтому в общем случае процессов люминесценции рассматриваются 3 основных процесса.

1. Возбуждение внешним воздействием, перевод электронов в возбужденное состояние.

2. Передача энергии центрам свечения, связанная с изменением пространственного и (или) энергетического положения возбужденных электронов.

3. Переход электрона, сопровождающийся излучением фотона.

К основным электронным переходам с излучением относятся следующие (рис. 3.1.):

Рис. 3.1. Излучательные переходы электронов в запрещенной зоне полупроводника.

Межзонные излучательные переходы (1) с излучением возможны лишь в прямозонных полупроводниках (например, GaAs и другие соединения А₃В₅ и их твердые растворы). Излучательные переходы 2, 3, 4 возможны в любых полупроводниках, но с участием примесных уровней. Примеси в этом случае носят название центров свечения или активаторов и в общем случае включают в себя системы, состоящие из комплексов дефектов и примесей, обеспечивающих излучательные переходы электронов. Излучательные переходы 1, 2, 3 включают в себя участие свободных носителей (электронов и дырок) в зонах проводимости и валентной, т.е. связаны с изменением проводимости полупроводника. Данные процессы объединяются названием рекомбинационная люминесценция. Излучательные переходы электронов с возбужденного на основной уровень (4) происходят только лишь в пределах одного примесного центра, т.е. не связаны с изменением концентрации свободных носителей и проводимости полупроводника. В этом случае говорят о внутрицентровой люминесценции. Различные виды рекомбинационной и внутрицентровой люминесценции обладают разными характеристиками.

Кроме центров свечения в полупроводниках могут существовать примеси, образующие центры тушения (гашения), которые могут служить центрами безызлучательной рекомбинации, снижающими эффективность процессов излучения. Вероятность излучательных процессов с участием примесных центров возрастает с ростом их концентрации до определенного предела, с превышением которого эффективность генерации излучения уменьшается (концентрационное тушение). С ростом температуры полупроводника выход излучения также уменьшается (температурное тушение). При высоких уровнях возбуждения возможно появление Оже-рекомбинации, когда энергия электрона передается другим электронам в зоне проводимости, они переходят на более высокий уровень энергии без изменения их общей концентрации и значения проводимости полупроводника. Вероятность Оже-рекомбинации возрастает с увеличением концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике.

Соотношение между числом излучательных и безызлучательных переходов определяет внутренний квантовый выход зк, равный отношению числа фотонов к числу электронов, прошедших через полупроводник. Для некоторых видов люминесценции внутренний квантовый выход приближается к единице, особенно при достаточно низких температурах. Так как не все фотоны выходят из источника излучения, он характеризуется внешним квантовым выходом

зке =зк*К0, (3.4)

где коэффициент К0 учитывает потери, связанные с отражением и поглощением света.

Внутренний квантовый выход определяется тремя составляющими -

зк = N*г*P, где г - доля рекомбинаций, происходящих в люминесцирующей области полупроводника, Р - доля излучательных рекомбинаций, N - число рекомбинаций, вызываемых одним электроном. Величина внутреннего квантового выхода уменьшается с ростом температуры.

Внешний энергетический выход (КПД) люминесценции, определяется как

зе = зкеhн/еV (3.5)

где hн - энергия фотонов (Дж), еV - энергия электронов (Дж), прошедших разность потенциалов V. Аналогичный параметр - светоотдача характеризует эффективность источников излучения в видимом диапазоне - зL = ФL/W, где ФL - световой поток излучения (лм), W - потребляемая источником мощность (Вт).

2. Основные параметры источников излучения

Система параметров источников излучения логически следует из функционального назначения и физических принципов работы двух их основных разновидностей: излучающих диодов и лазеров.

Интенсивность излучения характеризует мощность излучения Ризл (мВт) (для лазеров и инфракрасных излучающих диодов); сила света Jv (мккд, мкд) (для светоизлучающих диодов). Оба параметра измеряются при заданном номинальном или рабочем токе возбуждения Jраб лазеров и прямом токе Jпр излучающих диодов. В связи с сильной зависимостью Ризл (Jраб) при измерении лазеров во избежание вывода их из строя устанавливается требуемая мощность и измеряется ток накачки.

Спектральные свойства источников излучения определяются длиной волны, соответствующей максимальной интенсивности спектра излучения лмах, (мкм, нм); шириной спектральной полосы ?л, (нм), определяемой по 50%-ному уровню спада интенсивности. Для излучающих диодов и лазеров этих параметров обычно достаточно, для некоторых применений иногда требуется задавать спектральное распределение Ризл(л) или координаты цветности х, у.

Для характеристики направленности измеряют угол излучения б, определяемый по 50% уровню спада интенсивности или диаграмму направленности

Ризл(?) - зависимость мощности излучения от угла обзора.

Быстродействие определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса возбуждения tнар(сп), (нс), и временем задержки импульса излучения t зад, (нс). Эти параметры измеряются по уровню 0,1 и 0,9 фронта и спада импульса излучения. Иногда используется постоянная времени релаксации (спада) свечения фрел, определяемая как время изменения интенсивности в е раз (при экспоненциальном спаде).

Как элемент электрической цепи источник излучения характеризуется падением прямого напряжения (или напряжением возбуждения) Vпр при заданном токе Jпр, а так же максимально допустимым режимами (непрерывным и импульсным) по току, обратного напряжения, мощности рассеивания.

Основные конструктивные параметры: размеры излучающего окна, тепловое сопротивление Rт (К/Вт). Основные эксплутационные показатели: максимальная и минимальная рабочая температура (Tmax,Tmin), гарантированная долговечность tД (определяется по 10, 30 или 50%-му спаду интенсивности излучения). Для описания источников излучения могут использоваться так же и другие параметры.

3. Светодиоды

Светоизлучающими диодами (светодиодами) называются полупроводниковые приборы с p-n-переходом, предназначенные для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптического излучения. В основе принципа их действия лежит рекомбинационное излучение - излучение квантов света (фотонов) при рекомбинации пар электрон - дырка. Для интенсивной рекомбинации необходимо одновременно иметь высокую плотность электронов в зоне проводимости и высокую плотность свободных уровней (дырок) в валентной зоне. Такие условия создаются при высоком уровне инжекции электронов в дырочный полупроводник.

Зонная диаграмма прямосмещенного p-n-перехода с эмиттером электронов представлена на рис. 1. При прямом смещении p-n-перехода внешнее поле E_вн (возникшее за счет падения части напряжения источника питания U на p-n-переходе) частично компенсирует контактное E_к. Энергия электронов в области эмиттера n⁺-типа увеличивается, уровень Ферми W_F поднимается, высота потенциального барьера уменьшается q_e(ц₀U) и наблюдается высокий уровень инжекции электронов в базу р-типа.

Рис.3.2. Зонная диаграмма прямосмещенного p-n перехода

Электроны в базе являются неосновными носителями и создают неравновесный заряд, сосредоточенный вблизи границы p-n-перехода на расстоянии порядка средней длины диффузии электронов в базе L_n. Для сохранения электрической нейтральности из глубины базы подтягиваются дырки. Таким образом, вблизи границы p-n-перехода создается избыточная концентрация электронов и дырок, что приводит к их интенсивной рекомбинации с испусканием квантов света hн.

Однако через прямосмещенный p-n-переход диффундируют не только электроны, но и дырки из p-области. Это приводит к увеличению рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходе и в эмиттере и снижению концентрации электронов в базе. Кванты света, возникающие в глубине полупроводника, частично поглощаются в полупроводнике, что снижает квантовый выход. Поэтому необходимо уменьшить дырочный ток через p-n-переход, используя эмиттеры с коэффициентом электронной инжекции г_n = I_n/(I_n+I_p), где I_n - электронный, I_p - дырочный ток, близким к единице.

Идеальным эмиттером (г = 1) является гетеропереход. Зонная диаграмма гетероперехода с эмиттером электронов в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.3.3. Гетеропереход образуется между двумя полупроводниками, имеющими разные электрофизические свойства: разную энергию сродства к электрону P_c, ширину запрещенной зоны W и диэлектрическую проницаемость е. Для изготовления гетероперехода необходимо правильно подобрать пару контактирующих материалов. Они должны иметь кристаллическую решетку с одинаковой структурой и близкими постоянными кристаллической решетки, а (отличие не более 0.5%) и коэффициентами температурного расширения б. Материал эмиттера по сравнению с материалом базы должен быть более широкозонным и иметь меньшую энергию сродства к электрону. Поэтому гетеропереход с инжекцией электронов имеет W_p < W_n, Р_ср > Р_сn и е_p ? е_n как показано на рис. 2. При этом уровни энергии W_c и W_v имеют разрыв на металлургической границе (непрерывная вертикальная линия), а потенциальные барьеры для электронов _n и дырок _p оказываются разными. Разница в высоте потенциальных барьеров Дш = _p-_n = W_n-W_p.

Рис.3.3. Зонная диаграмма несимметричного p-n гетероперехода с эмиттером электронов в состоянии термодинамического равновесия.

В прямо смещенном гетеропереходе (рис. 3.4.) при высоком уровне инжекции электронов, за счет Дш дырочный ток практически равен нулю и г_n = 1, что характерно для идеальных эмиттеров.

Рис.3.4. Зонная диаграмма прямосмещенного p-n гетероперехода

В базе вблизи гетероперехода создастся большая (по сравнению с гомопереходом) инверсная заселенность энергетических уровней и квантовый выход инжекционной электролюминесценции повышается. Поэтому в современных светодиодах, как правило, используются гетеропереходы.

Излучательные квантовые переходы в светодиодах происходят спонтанно, независимо друг от друга и в разные моменты времени, поэтому излучение является некогерентным. Спектр излучения светодиодов является широким.

Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние. Последние могут быть прямыми (без изменения импульса) и непрямыми (с изменением импульса). Межзонные и энергетические переходы из зоны проводимости в заполненную зону дают эффективное излучение, если переходы прямые. При непрямых переходах излучательная рекомбинация может эффективно осуществляться через примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя на примесном центре, а затем его рекомбинация со свободным носителем другого знака. Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной полосы полупроводника, поэтому для получения излучения в видимой области используются широкозонные полупроводники. К ним относятся арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, многокомпонентные полупроводниковые соединения, например, GaAlAs и другие.

К числу важных параметров светодиода относится внешний квантовый выход

з_внеш = з_внутр·з_поверх, (3.6)

где з_поверх - коэффициент вывода света во внешнюю среду. На величину з_поверх оказывают влияние ряд факторов:

Поглощение света полупроводником. В полупроводниках с прямыми переходами имеет место высокий коэффициент поглощения, поэтому глубину залегания p-n-перехода уменьшают до 1ч2 мкм. Другой способ повышения з_поверх - вывод света через n-область при этом n-область легируют значительно сильнее, чем p-область, вследствие чего излучательная рекомбинация инжектированных носителей происходит в p-области. Глубина залегания акцепторного уровня W_а больше, чем донорного W_d и энергия фотонов hн_са = W_с ? W_а оказывается меньше, чем hн_dv = (W_d ? W_v) и ДW.



Рис.3.5. - Конструкции светодиодов (а), структура (б) и условное графиическое обозначение светодиода (в).

Конструктивное оформление светодиодов также различное, однако, чаще всего они выполняются в виде монокристалла полупроводника, в котором создан p-n-переход; кристалл вмонтирован в стеклянный корпус-линзу, свободно пропускающую излучаемый свет (рисунок3.5.)

Отражение излучения от границы раздела полупроводник-воздух. Полупроводниковые материалы имеют высокий коэффициент преломления n = 3.3ч3.6. Наружу может выйти только то излучение, которое падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического И_крит = arcsin n-¹. Для фосфида галлия GaP этот угол составляет И_крит = 17.7є. С целью увеличения критического угла кристаллы полупроводника заливают полимерными компаундами с большим показателем преломления (n = 1.5ч2.0). Высокое значение коэффициента вывода света можно получить, если придать кристаллам полупроводника (путем шлифования) специальную форму. Для уменьшения поглощения света и стоимости изделия p-n-переход изготавливают по планарной технологии и покрывают прозрачным полимерным полусферическим (или параболическим) покрытием

Работа некоторых светоизлучающих приборов основана на двойном преобразовании энергии: электрической энергии в инфракрасное излучение и преобразование его в видимый свет. Преобразование в видимый свет происходит при возбуждении антистоксовского люминофора (л_{излучения} < л_{поглощения}), покрывающего излучающую поверхность ИК диода (GaAs).

Характеристикой диода как источника света является зависимость силы света I_н от прямого тока (световая характеристика). Сила света I_н - излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Измеряется в канделах (кд).

Сила света диода пропорциональна числу актов излучательной рекомбинации в единицу времени (пропорциональна произведению квантового выхода (5) на полное число актов рекомбинации. На рис. 3.6 и 3.7. представлены зависимости внутреннего квантового выхода з_внутр и силы света I_н от плотности прямого тока j для GaP диодов. При малых значениях j происходит, в основном, безизлучательная рекомбинация носителей на примесных центрах в области p-n-перехода. Вследствие этого з_внутр при малых токах невелик и резко возрастает с увеличением примесных центрах в области p-n-перехода.

Вследствие этого з_внутр при малых токах невелик и резко возрастает с увеличением инжекции носителей и их рекомбинации на центрах излучательной рекомбинации. При дальнейшем увеличении плотности тока имеется почти линейный участок световой характеристики I_н(j), протяженность которого определяется изменением силы света светодиода в пределах одного - двух порядков (з_внутр ? const). При больших значениях j нарушается пропорциональная зависимость между силой света и плотностью тока вследствие заполнения излучательных центров, которые образовались при введении в полупроводник акцепторной, донорной или изоэлектронной примеси.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10-⁸с после подачи импульса прямого тока.

Основные параметры светоизлучающих диодов

Для маркировки светоизлучающих приборов российского производства приняты две системы обозначений. Покажем их на примерах:

АЛС338Б (3ЛС338Б)

А - (или цифра 3) материал полупроводника (GaAs или GaP, GaAsP и т.д.);

Л - светоизлучающий диод;

С - матрица из светодиодов (например, цифровой индикатор из семи сегментов);

338 - порядковый номер разработки;

Б - группа. (А, Б, В, Г … - диоды одного типа, но различающиеся по некоторым параметрам).

КИПД05А-1К

К - прибор широкого (общепромышленного) назначения;

И - индикатор;

П - полупроводниковый;

Д - единичный светодиод (или М - для мнемонических табло, Т - линейная шкала из диодов, Ц - знакосинтезирующий индикатор;

05 - номер разработки;

А - группа (А, Б, В …);

1 - число диодов в индикаторе;

К - красный (или Л - зеленый, Г - голубой, Ж - желтый, Р - оранжевый, С - синий, М - многоцветный).

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются:

· Сила света I_v - излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении максимального излучения. Указывается при заданном значении прямого тока I_пр, мА и измеряется в милликанделах (мкд);

· Яркость L - величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (для мнемонических и многосегментных индикаторов). Указывается при заданном значении прямого тока I_пр, мА и измеряется в кд/м².

· Мощность излучения (для излучающих диодов ИК-диапазона). Указывается при заданном значении I_пр, мА и измеряется в милливаттах (мВт);

· Постоянное прямое напряжение U_пр, В - значение напряжения на светодиоде при протекании заданного прямого тока;

· Максимум спектрального распределения л_max, мкм - длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики светодиода;

· Спектральная характеристика светодиода - зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света (представляется графически);

· Световая (яркостная) характеристика - зависимость силы света от прямого тока (представляется графически);

· Диаграмма направленности - снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведется наблюдение (излучение может быть узконаправленным или рассеянным);

· Вольтамперная характеристика - аналогична характеристике обычного диода;

· Зависимость силы света от температуры (в интервале рабочих температур I_v может меняться в 2ч3 раза, с повышением температуры сила света уменьшается);

Светоизлучающие диоды имеют большой разброс параметров от образца к образцу. Изготовителем указываются крайние значения параметров, являющиеся критерием годности при их производстве.

Предельно допустимые режимы эксплуатации - указываются максимальные значения прямого тока I_{пр, max}, мА, обратного напряжения U_обр, _max, В и др. параметры, при которых обеспечивается заданная надежность работы прибора. Светодиоды в основном применяются как элементы индикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряжения питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний. Линейные шкалы (столбики из светодиодов) служат для отображения непрерывно изменяющейся информации - уровня звукового сигнала, уровня горючего в баке и т.д. Достоинства - наглядность отображения и быстрота восприятия информации.

Цифро-буквенные индикаторы используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Наиболее часто используются индикаторы имеющие 7 сегментов на десятичный разряд (рис. 3.8.г).

Рис.3.8..Схема включения светодиода.

4. Полупроводниковые лазеры на n-р переходе

В основе работы лазеров на n-р переходе, так же как и в светодиодах, лежит излучательная рекомбинация инжектированных n-р переходом носителей заряда. Но для генерации лазерного излучения необходимо создать инверсную заселенность энергетических уровней, то есть ситуацию, при которой концентрация носителей на верхнем энергетическом уровне перехода больше, чем на нижнем.

Основным физическим механизмом, ответственным за генерацию излучения в полупроводниках, является взаимодействи фотонов с носителями заряда в валентной зоне и зоне проводимости. Для проявления излучательной рекомбинации полупроводник должен иметь зонную структуру, показанную на рис. 3.9.а

Рис. 3.9. Зонная энергетическая модель, иллюстрирующая процессы генерации и рекомбинации в арсениде галлия: а -- спонтанная эмиссия; б - стимулированное излучение.

В рассматриваемом случае электрон может перейти вертикально из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотона. Энергия испускаемого фотона соответствует ширине запрещённой зоны полупроводника, что и определяет длину волны излучения.

В случае таких полупроводников, как германий и кремний, эффективная излучательная рекомбинация невозможна из-за того, что собственного импульса фотона недостаточно для выполнения закона сохранения импульса. Когда имеет место излучательная рекомбинация, баланс импульса может быть реализован лишь за счёт третьего участника процесса, такого как фононы (колебания кристаллической решётки) или дефекты. Подобный процесс называется спонтанным излучением, и он используется в светоизлучающих диодах (СИД) и излучающих диодах.

Принцип работы лазера основан на эффекте индуцированного (вынужденного). Этот процесс имеет место, когда фотон с длиной волны, соответствующей E, взаимодействует с электроном зоны проводимости с энергией E₂. В этом случае фотон стимулирует электронный переход, как показано на рис. 3.9, б.

Особенностью данного процесса является то, что генерируемый фотон обладает той же длиной волны, фазой, поляризацией и направлением распространения, что и стимулирующий фотон. Индуцированное излучение соответствует режиму усиления падающих фотонов. Отсюда и происходит термин «лазер» -- усиление света за счёт индуцированного излучения.

В тепловом равновесии число электронов валентной зоны с энергией E₁ значительно больше числа электронов зоны проводимости с энергией E₂. В этих условиях вероятность того, что падающий фотон будет поглощён, намного больше, чем вероятность возникновения стимулированного излучения. Для увеличения вероятности процесса стимулированного излучения необходима инверсия заселённости носителей заряда в валентной зоне и зоне проводимости, при которой число электронов зоны проводимости с энергией E₂ резко увеличится. В случае полупроводниковых лазеров такая инверсия заселённости достигается за счёт инжекции носителей заряда в активную область кристалла, содержащего p-n переход. Для того чтобы добиться достаточно высокой заселённости зоны проводимости, необходим определённый минимальный ток, называемый пороговым током. На рис.3.10. показана зависимость мощности излучения лазера от тока. При превышении порогового тока I_th происходит переход от изначального режима спонтанного излучения, Фe к режиму вынужденного излучения. I_F -- это прямой ток, протекающий через лазерный диод



Рис. 9. Зависимость мощности излучения лазера от тока.

Для обеспечения надёжной работы даже при повышенной температуре окружающей среды чрезвычайно важными являются следующие условия:
- для обеспечения достаточно высокой плотности носителей заряда, вызывающей инверсию заселённости, необходима вертикальная локализация инжекции носителей заряда;

- активная область должна быть сконструирована в виде диэлектрического волновода, обеспечивающего высокую плотность фотонов;

- активная область кристалла должна быть сконструирована как оптический резонатор, в котором распространяющаяся волна частично отражается и всё больше усиливается. Оптический резонатор в полупроводниковом лазере формируется за счет специальным образом сколотых граней кристалла и внешних зеркал. Лучшими материалами для рассматриваемых лазеров в настоящее время являются арсенид галлия, арсенид галлия-алюминия и другие соединения типа А³B⁵

- для получения высокой плотности мощности генерируемого излучения (МВт/см) на лазерных зеркалах при обеспечении высокой надёжности и продолжительного срока службы лазерные зеркала должны иметь оптимальные покрытия;

- эффективная генерация излучения и малая скорость деградации приборов требуют высокого кристаллического совершенства используемых структур.

Вертикальная локализация реализуется за счёт использования так называемой двойной гетероструктуры, в которой активная область толщиной 0.1…0.2 мкм заключена между двумя ограничивающими слоями с большей шириной запрещённой зоны, как показано на Рис. 4.16. В этом случае формируются энергетические барьеры, локализующие инжекцию электронов и дырок в активную область. Большая ширина запрещённой зоны обуславливает уменьшение коэффициента преломления таким образом, что структура приобретает вид полоскового волновода, аналогичного волоконному волноводу (без начальных ограничений на поперечную ширину). Существует много различных способов обеспечения поперечного ограничения. В случае полоскового лазера с оксидной изоляцией область протекания тока ограничена полосковой областью шириной около 3 мкм, сформированной с использованием изолирующего окисного слоя, как это показано на Рис. 4.16.

Рис. 3.11. Структура оксидного полоскового лазера на основе GaAlAs/GaAs.

Схема лазера на n-р переходе (а) и спектр его излучения (б) показаны на рис. 3.11.

Рис.3. 12. Схема (а) и спектральная характеристика (б) лазера на n-р переходе.

Концентрация носителей заряда в пределах узкой области приводит к такому профилю мнимой части коэффициента преломления, который поддерживает стабильную поперечную фундаментальную моду (распространение волны в анизотропной среде). Волны могут распространяться и усиливаться только в пределах этой области. Любая волна, которая не распространяется параллельно границам данной области, поглощается и затухает. Этот тип волновода соответствует эффекту волноводного усиления. Лазерные диоды подобного типа называются также лазерами с волноводным усилением.

Весьма перспективны лазеры на p-i-n (p-n-n+) структурах с гетеропереходами, так как последние отличаются высоким отношением инжекционных токов из широкозонного полупроводника в узкозонный к обратному.

В последние годы разработаны ряд лазеров для синей области спектра. Так, лазер на нитриде галлия имеет пороговую плотность тока 4 кА/см2, мощность более 200 мВт при квантовом выходе до 13%. Длина волны излучения составляет 417 нм, ширина линии излучения 1,6 нм. Перспективным материалом для лазеров в синей области является карбид кремния, ширина запрещенной зоны в котором составляет 2,9 - 3,3 эВ. Создание лазерных гетероструктур и разработка приборов на их основе позволили резко снизить пороговые плотности тока, увеличить КПД инжекционных лазеров.

Определенный интерес представляют полупроводниковые лазеры с накачкой электронным пучком высокой энергии. Генерация при бомбардировке быстрыми электронами наблюдается во многих полупроводниках. Так, CdS дает зеленое свечение, CdSe - красное, ZnSe - голубое. В ближней ИК области перспективны GaAs и CdTe. Конструктивно полупроводниковые лазеры с электронным возбуждением выполняются в виде электроннолучевой трубки с полупроводниковым материалом в качестве экрана-мишени. По сравнению с инжекционной накачкой возбуждение электронным лучом имеет следующие достоинства: высокие мощности излучения благодаря возбуждению значительной толщины кристалла;

· возможность использования широкого ряда полупроводниковых материалов, так как в этом типе лазеров не требуется n-p переход; простота двухкоординатного сканирования и высокая скорость модуляции; возможность управляемой перестройки длины волны излучения, многоцветность, которую можно реализовать при использовании варизонных полупроводников.

Для целей оптоэлектроники наибольший интерес представляют лазеры, излучающие в ближней инфракрасной области, в которой кварцевые световоды имеют наименьшие потери. В этом плане для лазеров справедливо все то, что было рассмотрено выше для светодиодов.

Контрольные вопросы:

1.Какой принцип преобразования электрической энергии в световую используется в светодиодах?

2.От чего зависит длина волны излучения светодиода?

3.Какие материалы используются для изготовления светодиодов?

4.Какова причина насыщения яркостных характеристик светодиодов?

5. В чем отличия между спонтанным и вынужденным излучением?

6.Что называется инверсной населенностью и почему она необходима для получения усиления в квантовой системе?

7.От каких факторов зависит пороговая инверсная населенность для излучения?

8. Назовите основные элементы ОКГ.

Размещено на Allbest.ru

...