Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов

Исходя из используемых спектральных диапазонов волн оптического излучения (0,8 ¸ 1,6 мкм) и некоторых перспективных участков от 1,6 мкм до 50 мкм можно отметить, что им соответствуют энергии запрещенной зоны 0,1 ¸ 5 эВ, которыми обладают полупроводниковые материалы.

Материал, у которого значение Eg = 0, называют проводником. Если Eg > 5 эВ, то материал называют изолятором.

В процессах взаимодействия излучения с материалом играет роль прежде всего энергетическая структура внешних электронных оболочек, а именно верхнего валентного уровня (Ev) и уровня ионизированного (Ес) – свободного электрона. Электрон, обладающий энергией, соответствующей одному из уровней валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован. Если же электрон занимает место в зоне проводимости, то он не связан с решеткой и может свободно перемещаться по кристаллу. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход. Наиболее существенными являются переходы из одной зоны в другую, т.к. они сопровождаются качественными изменениями состояния кристалла. Закономерности перехода электронов в разные энергетические состояния и определяют процессы взаимодействия излучения с веществом. В состоянии термодинамического равновесия вероятность нахождения электрона на том или ином уровне (Ес или Ev) определяется функцией распространения Ферми – Дирака

(12.11)

где E_F - уровень Ферми, совпадающий с энергетическим уровнем, для которого эта вероятность составляет 0,5;

К – постоянная Больцмана 1,38 х 10^–23 Дж/К,

Т- температура по Кельвину.

Электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить энергию в виде кванта

(12.12)

где h и f определены в (12.1).

По скорости протекания процессов перехода электронов из одних состояний в другие материалы условно подразделяют на прямозонные и непрямозонные. Это принципиальное разделение материалов на два класса обусловлено тем, что в прямозонных материалах процессы перехода электронов проходят с минимальной задержкой и имеют высокую квантовую эффективность, т.е. выделение или поглощение квантов энергии, а в непрямозонных материалах эти процессы заторможены или вообще не происходят. Типичными прямозонными материалами являются GaAs, InAs, ZnS, GdS, а непрямозонными – Si, Ge, GaP, SiC. Эти материалы – полупроводники. Прямозонные материалы идут на изготовление прежде всего излучателей, а непрямозонные – на изготовление приемников и волноводов оптического излучения.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри запрещенной зоны могут создаваться дискретные энергетические уровни.

Примесные полупроводники характеризуются измененными энергетическими диаграммами и образуют разные виды проводимости электрического тока – электронную и дырочную (рисунок 12.13).

Наибольший интерес для изготовления источников и приемников оптического излучения представляет соединение разнородных примесных полупроводников и образующийся при этом переход между электронной и дырочной областями (рисунок 12.14).

Известно, что прибор, изготовленный из соединения p – n, представляет собой одностороннюю токопроводящую среду – диод. При прямом и обратном смещении p – n перехода за счет внешнего источника напряжения могут наблюдаться явления излучения фотонов при рекомбинации носителей зарядов и поглощения фотонов с образованием носителей зарядов (электронов и дырок).

Рисунок 12.13 Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов

В таблице 12.2 представлены характеристики некоторых материалов, применяемых для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов.

Таблица 12.2 Характеристики материалов

Материал	Ge	Si	AlP	AlAs	AlSb	GaP	GaAs	GaSb	InP	InAs
Eg, ЭВ	0.66	12.11	2.45	2.16	12.58	2.28	12.42	0.73	12.35	0.36
Λ, мкм	12.88	12.15	0.52	0.57	0.75	0.55	0.87	12.7	0.92	3.5
Тип	I	I	I	I	I	I	D	D	D	D

I – непрямозонный, D – прямозонный.

Необходимо отметить, что материалы могут иметь и более сложный состав элементов, например: InGaAs, GaAlAs, LiNdP₄O₁₂, InGaAsP и другие.

Для изготовления приборов применяют материалы с шириной запрещенной зоны, соответствующей диапазонам прозрачности стекловолокна (0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм) или оптическим диапазонам (таблица 12.1) и высокой квантовой эффективностью для источников излучения, низкой эффективностью для световодов. При этом предпочтение отдается материалам, пригодным для массового изготовления приборов и безопасных при работе с ними.

Рисунок 12.14 Энергетические состояния полупроводниковых приборов на основе p – n перехода

Дата добавления: 2014-01-15