Полупроводниковые источники излучения

1. Процесс оптического излучения из полупроводниковых структур.

Полупроводниковые источники излучения, к которым относятся лазеры и светодиоды, преобразующие энергию электрического поля в электромагнитное излучение находят наиболее широкое применение в волоконно-оптических системах и датчиках. Их основными преимуществами являются: высокий кпд преобразования электрической мощности в свет, простота возбуждения и модуляции излучения, малые размеры и вес наряду с высокой надежностью и выходной мощностью излучения.

В основе функционирования полупроводниковых источников излучения лежит явление инжекционной электролюминисценции – излучение света полупроводниковыми структурами под действием электрического поля.

Физическая сущность эффекта электролюминисценции заключается в следующем. Согласно законам квантовой механики энергия электрона в атоме и энергия атома в целом не произвольны. Она может иметь лишь определенный, дискретный ряд значений, называемых уровнями. Однако на практике это положение справедливо для отдельных атомов или атомов, находящихся один от другого на расстояниях, когда взаимодействие между ними практически отсутствует, например, в разряженных газах.

В твердых телах атомы сближены настолько, что они взаимодействуют между собой и результатом этого взаимодействия является искажение энергетических уровней в системе, приводящее к тому, что в итоге из дискретных энергетических уровней в кристалле образуются полосы или зоны разрешенных состояний энергии, разделенные запрещенными зонами, т.е. зонами значений энергий, где электроны не могут находиться.

На рис.5.2 приведены энергетические диаграммы твердых тел, характеризующихся 3 ^мя типами проводимости: изолятора, проводника (металл) и полупроводника n и р типов. Заштрихованными показаны области нахождения носителей зарядов (электронов).

Рис.5.2 Энергетические диаграммы различных материалов:

изолятора; проводника; полупроводника n-типа, и полупроводника р-типа

Зонами, определяющими типы проводимости твердого тела, являются валентная зона и зона проводимости, разделенные запрещенной зоной, ширина которой определяет величину энергии, которую необходимо сообщить электрону, что бы он перешел из нижней валентной зоны в зону проводимости.

В полупроводниках кроме валентной зоны и зоны проводимости могут существовать и примесные зоны (донорные и акцепторные), являющиеся следствием наличия примеси в кристалле.

В равновесном состоянии (отсутствие внешнего воздействия) электроны в кристалле стремятся занять уровни с наименьшей энергией (низшие уровни). В результате, низшие энергетические состояния оказываются заполненными, а более высокие пустыми. Для определенных веществ, называемых изоляторами или диэлектриками (стекло, эбонит, кварц), все без исключения электроны находятся на низших уровнях валентной зоны, зона проводимости пуста и в итоге это вещество не проводит электрический ток. Для металлов наблюдается другая ситуация, когда электроны заполняют не только валентную зону, но и значительная часть их находится в зоне проводимости, что обеспечивает металлам электропроводящие свойства, они являются проводниками тока. Кроме этих 2 ^х состояний вещества существует и промежуточный вариант – полупроводники, в которых при определенных условиях могут существовать носители заряда, проводящие ток как в зоне проводимости так и в валентной зоне (а также и в примесной зоне) В зависимости от типа примесей в полупроводнике существует проводимость по свободной зоне (n-типа), валентной (р-типа), а также примесная проводимость. Ширина запрещенной зоны определяет величину энергии, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он перешел из нижней валентной зоны в зону проводимости.

Если систему носителей в полупроводнике вывести из равновесия, например, пропустив через полупроводник электрический ток, то носители заряда, электроны, получают дополнительную энергию и могут переходить из низших состояний в более высокие, т.е. из валентной зоны в зону проводимости. Для того, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости электроны, как минимум, должны получить дополнительную энергию равную ширине запрещенной зоны =, например, за счет приложенного к полупроводнику электрического поля. Таким образом, под влиянием предложенного электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток и образуются неравновесные носители заряда: электроны в зоне проводимости и их вакансии (или дырки) в валентной зоне. Неравновесные носители в данном случае электроны могут переходить обратно в состоянии с низшими уровнями энергии или, как говорят, рекомбинировать с дырками. При этом электроном освобождается энергия, полученная им от внешнего воздействия. Эта энергия может передаваться атомом решетки – это безизлучательная рекомбинация; или испускаться в виде кванта оптического излучения - это прямая излучательная рекомбинация. Если эти эффекты происходят под действием электрического поля, то это явление называется электролюминисценцией. Вероятность прямой излучательной рекомбинации становится существенной только при достаточно больших концентрациях неравновесных носителей и зависит от зонной структуры материала. Для эффективной электролюминисценции необходимо выбирать полупроводники с прямой зонной структурой, у которых импульс электрона при переходе из зоны в зону сохраняется (например, GaAs, GaР). Таким образом, под действием электрического поля в полупроводнике возникают или генерируются электронно-дырочные пары. Одновременно с генерацией может происходить и обратный процесс – электроны самопроизвольно спонтанно падают вниз на незанятые уровни валентной зоны с излучением кванта энергии. Этот тип рекомбинации и излучения называется спонтанным.

Спонтанное излучение характерно для полупроводниковых светодиодов.

Помимо спонтанной рекомбинации в полупроводниках может иметь место и вынужденная рекомбинация электронов и дырок, приводящая к вынужденному или индуцированному излучению системы. Вынужденная рекомбинация отличается от спонтанной тем, что электрон из зоны проводимости падает в валентную зону не произвольно, а вынуждено, под действием фотона или кванта света, энергия которого близка к . При этом излучается вторичный фотон, тождественный по частоте, энергии, направлению распространения и поляризации с фотоном, вызвавшим рекомбинацию. Это означает, что в полупроводнике (или структуре) возможны усиления и генерация света, т.е. на основе полупроводниковых структур возможно создание лазеров и усилителей света.

Для того чтобы заставить полупроводник усиливать падающий свет, а не поглощать его, необходимо сильно нарушить равновесное распределение электронов в нем с тем, чтобы электроны полностью заполнили область, примыкающую к дну зоны проводимости, а дырки сконцентрировались у потолка валентной зоны. Такое состояние полупроводника называется вырожденным и реализуется с помощью дополнительного легирования или введения примесей в полупровдник. При таком заполнении зон коэффициент поглощения фотонов в узком интервале энергий , превышающих уровни Ферми для электронов и дырок становится отрицательным, так как, распространяясь в такой среде фотон, имеет равную вероятность вызывать переход электронов из нижнего энергетического состояния в верхнее и наоборот. Согласно квантовой статистики, в равновесном состоянии функция распределения электронов по энергиям в полупроводнике зависит только от энергии электрона и имеет вид:

,

где есть средний термодинамический потенциал на 1 электрон или еще называемый химическим потенциалом или уровнем Ферми. Зонная структура такого полупроводника приведена на рис. 5.3.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЗОННАЯ ДИАГРАММА ПОЛУПРОВОДНИКА

Рис.5.3.

Так как все уровни в зоне проводимости заполнены, то этот эффект преимущественно будет вызывать вынужденное излучение света. Это и есть процесс оптического усиления света, когда часть энергии, запасенной в полупроводнике, передается полю излучения, т.е. преобразуется в свет.

Если ввести положительную обратную связь, например, поместить активную среду между зеркалами, то можно обеспечить условие, когда усиление превысит потери, и мы получим лазерную генерацию света в полупроводнике.

Наиболее простым и распространенным способом возбуждения электронов в полупроводнике является инжекция неосновных носителей через р-n переход. С этой целью формируют р-n переход из сильно легированных р и n областей полупроводника. Если обе области р-n перехода сильно легированы, то приложение к р-n переходу прямого смещения вызывает инжекцию электронов в р-область. Таким образом, вблизи р-n перехода создаются концентрации носителей достаточные для возникновения индуцированного излучения и лазерного эффекта при наличии зеркал (рис.5.4). На рис.5.5 и 5.6 показаны принципи генерации в лазере и светодиоде.

ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЧЕРЕЗ P-N ПЕРЕХОД

Рис. 5.4.

Принципы генерации света в лазере и светодиоде показаны на рис.5.5 и 5.6.

СВЕТОДИОД (СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)

Рис. 5.5.

ЛАЗЕР (СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)

Рис. 5.6.

Рис.5.7. Принцип функционирования полупроводникового лазера

Дата добавления: 2014-01-20