Источники излучения

Общие сведения.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые приборы, в которых происходит преобразование электрических сигналов в световые и наоборот называются оптоэлектронными приборами. Все оптоэлектронные приборы можно разделить на три группы. К первой группе относятся источники излучения, преобразующие электрические сигналы в световые. Из источников излучения широкое применение нашли светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые инжекционные лазеры. Ко второй группе относятся приемники излучения, в которых происходит преобразование светового излучения в электрический сигнал. Приемники излучения – это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Третьей группе оптоэлектронных приборов принадлежат оптроны, которые содержат источник и приемник излучения.

Оптоэлектронные приборы работают в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой диапазонах электромагнитных колебаний. Этот диапазон включает колебания в диапазоне длин волн примерно от 1 нм до 0,1 мм, что соответствует диапазону частот от 3·10¹² о 3·10¹⁷ Гц. Наибольший интерес на практике представляют оптоэлектронные приборы, работающие в видимом диапазон длин волн от 0,38 мкм о 0, 79 мкм с частотой около 10¹⁵ Гц.

Отметим основные достоинства оптоэлектронных приборов:

- благодаря большим значениям используемых рабочих частот оптические каналы передачи информации (каналы ВОЛС) обладают высокой информационной емкостью;

- оптоэлектронные приборы могут обеспечить полную гальваническую развязку между выходным и входным цепями электрических схем;

- оптические каналы передачи информации обладают высокой помехозащищенностью за счет невосприимчивости их к электромагнитным полям.

15.2.1. Светоизлучающие диоды.

Полупроводниковые диоды, преобразующие электрические сигналы в световые, называются светоизлучающими диодами. Работа светодиодов основано на явлении излучательной рекомбинации, когда при рекомбинации электронно-дырочной пары избыточная энергия выделяется в форме квантов света – фотонов. Как известно, излучательная рекомбинация возможна в прямозонных полупроводниках, т.е. в полупроводниках, в которых минимум энергии зоны проводимости и максимум энергии валентной зоны, приходятся на одно и то же значение волнового вектора. Кроме того, излучательная рекомбинация возможна только при межзонной рекомбинации, поэтому необходимо применять полупроводники, не содержащие глубоких примесных уровней, чтобы исключить рекомбинацию типа Шокли-Рида, определяющую безызлучательную рекомбинацию. Также отметим, что излучательная рекомбинация растет (до определенного предела) с ростом степени легирования полупроводника, т.е. для получения излучательной рекомбинации необходимо использовать высоколегированные, практически вырожденные, полупроводники.

В условиях теплового равновесия число актов излучательной рекомбинации не может превышать числа актов поглощения квантов света, т.е. полупроводник будет излучать ровно столько света, сколько поглощает. Для того, чтобы излучение превышало над поглощением, необходимо создать избыточную концентрацию электронно-дырочных пар. Наиболее просто это можно сделать инжекцией носителей тока через р-п переход, пропуская через него прямой ток. При этом концентрация неосновных носителей тока у границ р-п перехода резко повышается и становится значительно выше равновесной. К инжектированным неосновным носителям из объема полупроводника подтягиваются основные носители тока и их концентрация у границы перехода также становится выше равновесной. Все это создает условия для излучательной рекомбинации.

Рекомбинационное излучение, связанное с протеканием тока через прямосмещенный р-п переход, часто называют инжекционной электролюминесценцией.

Спектр рекомбинационного излучения определяется переходами возбужденных электронов из зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны. Выделяемая при этом энергия кванта света определяется шириной запрещенной зоны полупроводника: . Таким образом, частота рекомбинационного излучения определяется формулой . Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света необходимо использовать полупроводники с шириной запрещенной зоны более 1,7 эВ. Этому требованию удовлетворяют полупроводниковые двойные соединения типа А₃В₅ (GaAs, InAs, InSb и др), А₂В₆ (ZnS, ZnSe и др), тройные соединения типа GaAlAs, GaAlP, некоторые твердые растворы, например, GaAs- GaP, GaP-InP и другие. Приведенные полупроводниковые соединения и растворы имеют прямозонный энергетический спектр и в настоящее время они широко используются для создания светодиодов видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Отметим, что в качестве р-п переходов в светодиодах используются как гомопереходы, так и гетеропереходы.

Излучательная способность светодиода характеризуется двумя параметрами: внутренним квантовым выходом, определяемый отношением числа образуемых фотонов к числу инжектированных через р-п переход носителей тока, и внешним квантовым выходом, определяемый отношением числа испускаемых светодиодом фотонов к числу инжектированных через р-п переход носителей тока. Внутренний квантовый выход в современных светодиодах достаточно высокий, например, в светодиодах на основе арсенида галлия он приближается к единице. Внешний квантовый выход значительно меньше единицы, так как большая часть фотонов на границе раздела полупроводник-воздух претерпевает полное внутреннее отражение, поглощается полупроводником и не участвует в излучении.

Для повышения внешнего квантового эффекта разрабатываются различные конструкции светодиодов (рис.15.1). В случае с большой излучающей поверхностью светодиоды изготавливаются с плоской поверхностью (рис.15.1, а). В таких структурах обеспечивается большая равномерно светящаяся поверхность, однако такие светодиоды обладают малой мощностью излучения

а) б) в)

Рис.15.1. Структура светодиода с плоской излучающей поверхностью а), полусферической поверхностью б) и его условно графическое обозначение в).

1-омические контакты, 2- р-п переход, 3- световыводящее прозрачное покрытие.

из-за низкого внешнего квантового выхода. Для повышения мощности излучения излучающую поверхность светодиода делают полусферической (рис. 15.1, б). В таких конструкциях излучение, падающее на границу раздела, образует с нормалью к ней угол, меньший критического, что исключает полное внутреннее отражение. В таких структурах внешний квантовый выход повышается практически на порядок по сравнению с плоской.

Светодиоды могут иметь один или несколько р-п переходов, расположенных в одном кристалле полупроводника - так называемые матричные светодиоды. Комбинируя включение отдельных переходов матричных светодиодов, можно получить изображение цифр, букв или знаков. Например, широко известны одноразрядные семисегментные индикаторы для индикации цифр. В этих индикаторах каждый сегмент выполнен в виде отдельного светодиода. Разработаны также многоразрядные индикаторы.

Существуют управляемые светодиоды, в которых размер светящейся области зависит от уровня поданного на электроды напряжения. Такие приборы могут быть использованы как индикаторы настройки, в качестве шкал измерительных приборов и т.д. В некоторых светодиодах возможно изменение цвета свечения при изменении величины тока через светодиод. Такие светодиоды состоят из двух р-п переходов, например, красного и зеленого цветов свечения. При изменении тока через переходы меняется соотношение интенсивностей их свечения.

Для получения большой мощности излучения разработаны суперлюминесцентные светодиоды. Такие диоды изготавливаются на основе четырехслойной гетероструктуры. Они характеризуются высоким квантовым выходом излучения и меньшей спектральной шириной излучения.

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны излучения, сила света, яркость и мощность излучения, значение рабочего постоянного тока или напряжения, КПД и др. Все эти параметры сильно зависят от материала используемого полупроводника, от конструкции светодиода. Длина волны, и тем самым цвет излучения, определяется шириной запрещенной зоны и легирующими примесями. Сила света определяется световым потоком внутри малого телесного угла к этому телесному углу, измеряемого в канделях (кд). В современных светодиодах значение силы света составляет величину порядка 0,5…1 мкд. Яркость излучения характеризуется силой света на единицу поверхности и ее величина составляет десятки кд/м². Рабочие токи лежат в пределах от нескольких единиц до сотни мА, а напряжения – от 1,5 до 3 В. КПД светодиодов меняется в широких пределах. В светодиодах с плоской излучающейся поверхностью КПД не превышает нескольких единиц, а с полусферической поверхностью может достигать до 50%.

Светоизлучающие диоды описываются зависимостями сила света J или яркости излучения от величины прямого тока. Графики этих зависимостей практически являются линейными в определенных пределах изменения прямого тока (рис. 15.2, а). Однако при дальнейшем росте прямого тока сила света за счет различных факторов насыщается. Важной характеристикой

а) б)

Рис.15.2. Световая J = f(i_пр) а) и спектральная J = f(λ) б) характеристики светодиода.

светодиодов является спектральная характеристика, представляющая собой зависимость мощности излучения или силы света J от длины волны. Спектральные характеристики (рис. 15.2, б) представляют собой кривые с резким максимумом при длине волны λ, равной длине волны излучения λ_изл данного светодиода.

Для обозначений светодиодов используется система обозначений, состоящая из двух или трех букв и трех цифр, например, АЛ316 или АЛС331. Первая буква указывает на материал (А-арсенид галлия), вторая или вторая и третья – на конструктивное исполнение: Л – единичный светодиод, ЛС – матричный. Цифры указывают на номер разработки. К сожалению, эта система обозначений не указывает на цвет свечения светодиода.

В настоящее время используются также новая более информативная система обозначений, когда обозначения светодиодов рассматривается как частный случай обозначения индикаторов, например, КИПД05А-1К. Первая буква К обозначает, что это прибор широкого применения, этой буквы может и не быть. Вторая буква И обозначает, что это светодиод. Буква П обозначает вид индикатора: полупроводниковый, буква Д характеризует отображаемую информацию – единичная. Следующие две цифры обозначают номер разработки, при этом, если цифры от 01 до 69 – то индикатор без встроенного управления, если от 70 до 99 – то с встроенным управлением, например, можно менять цвет свечения. Следующая буква А обозначает принадлежность к одной из классификационных групп, цифра 1- единичный индикатор, т.е. содержится только один светодиод. И наконец, последняя буква обозначает цвет свечения: К-красный, Л –зеленый, С – синий, Г- голубой и т.д.

Светодиоды обладают высокой стабильностью параметров, высоким быстродействием, малой потребляемой мощностью, долговечностью. Малые рабочие напряжения позволяет совместить их с интегральными микросхемами. Светоизлучающие диоды находят, наряду с отмеченными выше, самое широкое практическое применение, например, как элементы индикации включения напряжения питания, индикации аварийной ситуации и т.д. Они являются источником излучения в оптронах - самых помехозащищенных приборах, широко используемых в различных областях радиотехники. Светодиоды широко используются как источник излучения в волоконно-оптических линиях передачи информации.

К недостаткам можно отнести их невысокую радиационную стойкость и чувствительность к изменениям температуры.

15.2.2. Полупроводниковые инжекционные лазеры.

В полупроводниковых лазерах излучение, также как и в светодиодах, обусловлено рекомбинацией электронов и дырок. Однако излучение в лазерах является не самопроизвольным, как в светодиодах, а вынужденным (индуцированным или стимулированным). Отсюда и название лазер: это первые буквы английских слов (laser – lightwave amplification by stimulated emission of radiation – усиление световых волн с помощью стимулированного излучения).

Для выяснения явления вынужденного излучения рассмотрим более подробно задачу о взаимодействии электромагнитного излучения с простейшей квантовой системой, обладающей только двумя энергетическими уровнями - основным Е₁ и возбужденным Е ₂ (рис.15.3, а). Обозначим общее число частиц в системе через п.

В состоянии термодинамического равновесия часть частиц (п₁) будет располагаться на нижнем уровне, другая часть (п₂) — на верхнем. В соответствии с распределением Больцмана и и их

отношение

. (15.1)

Так как , то . Таким образом, при термодинамическом равновесии основное состояние заполнено более плотно, чем возбужденное.

Предположим теперь, что с такой системой взаимодействует электромагнитное излучение частотой ν ₁₂, равной частоте перехода Е ₁→ Е₂. Это излучение будет, как показывает опыт, стимулироватьдва встречных процесса: поглощение, приводящее к переходу атомов с нижнего уровня на верхний, и испускание излучения, сопровождающееся переходом частиц с верхнего уровня на нижний. Испускаемое при этом излучение и называют стимулированным, индуцированнымили вынужденным. Важной особенностью подобных процессов является то, что они управляются полем электромагнитного излучения: их вероятность тем больше, чем больше плотность энергии поля излучения на частоте перехода ν ₁₂. При этом оказывается, что возникающее излучение под действием внешнего электромагнитного излучения обладает теми же параметрами (частота, поляризация, направление распространения и фаза колебаний), что и внешнее излучение.

Разность ∆ числа переходов частиц с нижнего уровня на верхний и с верхнего на нижний при прохождении через систему N квантов света излучения пропорциональна вероятности переходов Р, одинаковой для обоих процессов, числу квантов N (плотности излучения ρ) и разности заселенностей уровней (п₂ – п ₁):

. (15.2)

Так как в условиях равновесия п₂ < п ₁, то ∆ < 0, т. е. преимущественно протекают переходы с поглощением энергии.

Если нарушить термодинамическое равновесие системы, заселив верхний уровень более плотно, чем нижний, т. е. сделать п₂>п₁, то можно добиться, чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением. Такое заселение называют инверсным, а систему или среду с инверсным заселением уровней называют активной.

На основе инверсно заселенных систем можно получить так называемое квантовое усиление. Предположим, что через инверсно заселенную двухуровневую систему (рис.15.3, б) пропускается внешнее излучение на частоте . Этот сигнал будет вызывать стимулированные переходы Е ₂→ Е ₁и Е ₁→ Е ₂. Так как при инверсном заселении на верхнем уровне размещается больше частиц, чем на нижнем, то индуцированное испускание, отвечающее переходам Е ₂→ Е ₁, будет превалировать над поглощением Е ₁→ Е ₂, что приведет к усилению излучения. Следовательно, такая система будет работать как усилитель электромагнитных колебаний. Его называют квантовым усилителем.

На основе рассмотренного явления индуцированного излучения и строятся квантовые генераторы электромагнитного излучения – лазеры. Если сумма энергий возбуждающего сигнала и стимулированного излучения больше потерь энергии в системеи энергии, отводимой в нагрузку, то квантовая система переходит в режим самовозбужденияи начинает работать как генератор, колебания в котором возбуждаются и в отсутствие внешнего сигнала под действием случайных спонтанно испущенных квантов света.

Рис.15.4. Структурная схема лазера.

На рис. 15.4 показана структурная схема лазера . Он состоит из рабочего тела (1), помещенного в оптический резонатор, источника накачки (3) и специального охлаждающего устройства (4), отводящего тепло от рабочего тела. Оптический резонатор в лазерах в простейшем случае представляет собой два зеркала (2), установленные отражающими сторонами друг к другу, строго параллельно друг другу и перпендикулярно оптической оси лазера. Такие резонаторы называются резонаторами Фабри-Перро. Для вывода излучения наружу одно из зеркал делают полупрозрачным. При этих условиях излучение, возникшее в лазере, отражаясь от зеркал, многократно проходит через рабочее вещество, вызывая все усиливающееся стимулированное испускание. Таким образом, резонатор осуществляет положительную обратную связь с излучающей системой, заставляя при каждом прохождении излучения через рабочее тело высвечиваться активные центры. При этом в наиболее выгодных условиях оказывается та часть излучения, направление которого совпадает с оптической осью генератора, так как только оно способно многократно отражаться от зеркал, не уходя из рабочего тела. В лазере формируется излучение, направленное практически вдоль оптической оси и выходящее через полупрозрачное зеркало остронаправленным пучком.

Квантовые генераторы излучения можно построить на основе р-п перехода. Инверсия заселенности в них создается не освещением, а инжекцией неосновных носителей тока через р-п переход. Анализ показывает, что для образования инверсной заселенности необходимо выполнения условия

, (15.3)

где - уровни Ферми в п - и р- полупроводниках до формирования контакта. Для выполнения условия (15.3) необходимо, чтобы полупроводники были сильно вырожденными (рис.15.5). Инверсия заселенности при этом возникает при прямых напряжениях, превышающих контактную разность потенциалов. При этом потенциальный барьер снижается и в нем появляется

область А с инверсной заселенностью зон, где над практически свободными состояниями валентной зоны располагаются почти заполненные уровни зоны проводимости.

_

+

Полупроводниковый лазер представляет собой р-п переход (рис.15.6), изготовленный в форме неправильного параллелепипеда: две противоположные грани строго параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости р-п перехода, хорошо полируются и играют роль резонатора, заставляющего стимулированное излучение, возникшее в плоскости перехода, проходить через него многократно. Две другие грани выполняются под некоторым углом и оставляются грубо обработанными, вследствие чего они не могут быть резонаторами. Лазеры, построенные на основе р-п перехода, называются инжекционными. Они могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Для работы полупроводниковых лазеров необходимо обеспечить прямой ток большее некоторого порогового значения, величина которого составляет от нескольких десятков до сотен мА и зависит от материала полупроводника, от мощности излучения, рабочей температуры и т.д.

Первые полупроводниковые лазеры были созданы на основе вырожденного арсенида галлия GaAs. При прямых токах близких к пороговой излучение таких лазеров имело одну моду с длиной волны λ=0,84 мкм расходимостью 0,05 нм. С ростом прямого тока появляются дополнительные моды. КПД инжекционных лазеров теоретически может быть близким к 100%. Однако, на практике не все инжектированные электроны участвуют в создании вынужденного излучения и не все генерируемое световое излучение распространяется в активной области. Поэтому КПД лазеров всегда меньше 100%. Например, у лазеров на основе GaAs при температуре жидкого азота удается получать КПД до 80%.

Для повышения КПД при комнатных температурах Ж.И.Альферовым были предложены инжекционные лазеры на гетеропереходах, т.е. на переходах, создаваемых на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Полупроводниковая структура первых гетеролазеров состоял из области п -типа GaAs, узкой области р -типа GaAs и области широкозонного тройного соединения Al_ХGa_1-ХAs р -типа, где х – процентное содержание Al в GaAs. Можно показать, что в средней области в таких структурах даже при отсутствии вырождения создается при прямом смещении инверсная заселенность, т.е. возникает условие лазерного излучения. Высокая эффективность таких гетеролазеров обусловлена следующими факторами. Во-первых, на границе средней и правой областями в таких гетероструктурах возникает потенциальный барьер, что ограничивает длину свободного пробега инжектированных из левой области электронов, что способствует росту вынужденного излучения. Во-вторых, из-за различия коэффициентов преломления света в средней и правой областях наблюдается полное внутреннее отражение света на их границе, что приводит к уменьшению поглощение света в правой неактивной области. В третьих, меняя процентное содержание алюминия в определенных пределах можно менять ширину запрещенной зоны Al_ХGa_1-ХAs и, тем самым, менять длину волны излучения.

Разработаны также полупроводниковые гетеролазеры с полным внутренним отражением света с обеих сторон от активной области, созданы лазеры с двойной гетероструктурой – ДГС лазеры. Разрабатываются гетеролазеры на основе других полупроводниковых материалов.

Полупроводниковые инжекционные лазеры обладают рядом преимуществ по сравнении с твердотельными и газовыми лазерами. Они обладают высоким КПД - 50 и более процентов, малогабаритны, работают с низковольтными маломощными источниками питания. Время установления излучения в них порядка 10^-12 секунды, что позволяет использовать их для сверхбыстродействующих схем. Узкая направленность лазерного луча полупроводниковых лазеров позволяет успешно использовать их для космической связи, как источник излучения в волоконно-оптических линиях связи. На основе таких лазеров создаются частоты, времени, длины. Существенным недостатком полупроводниковых лазеров является сильная температурная зависимость его параметров, что приводит к изменению спектрального состава излучения и росту величины порогового тока, а также небольшой эксплуатационный срок.

Дата добавления: 2015-05-06