7.9. Излучательные процессы в p-n–переходе. Светодиоды

Как уже отмечалось, рекомбинация носителей заряда в полупроводниках сопровождается излучением электромагнитных волн оптического диапазона – излучательная рекомбинация (п. 6.3). В p-n–переходах эти элек- тронно-оптические явления приобретают существенные особенности.

Прохождение через p-n–переход тока в прямом направлении (см. п. 7.4) сопровождается инжекцией неосновных носителей у границ p-n–перехода: электронов в p-область, дырок в n-область. Концентрация неосновных носителей у границ p-n–перехода при этом резко возрастает и становится значительно больше равновесной. К инжектированным неосновным носителям притягиваются основные носители, и их концентрация становится также выше равновесной. Этот эффект особенно выражен на расстоянии диффузионной длины от металлургической границы перехода. При удалении от этой границы концентрация неравновесных носителей убывает за счет их рекомбинации.

Поскольку данные носители являются неравновесными, то вблизи p-n– перехода их распределение описывается квазиуровнями Ферми (п. 6.1)

Eфр* , Ефп* .

По мере удаления от области объемного заряда квазиуровни Ферми будут приближаться к равновесному уровню Ферми и сольются с ним. Энергетические расстояния между квазиуровнями Ферми Eфр* Еф* n

вблизи области объемного заряда определяются напряжением, приложенным непосредственно к p-n–переходу.

Очевидно, что максимальное прямое напряжение, которое может быть приложено к p-n – переходу, ограничено высотой потенциального барьера θ0 = eUk. С помощью внешнего поля можно уменьшить потенциальный барьер, но нельзя сделать его отрицательным. Это означает, что в p-n– переходе концентрация инжектированных носителей не может превышать концентрацию тех же носителей в эмиттере, где они являются основными. Иначе говоря, вероятности генерации и рекомбинации носителей, т.е. поглощения и излучения энергии в таком переходе близки. Для того чтобы создать излучающий p-n–переход, необходимо нарушить то равновесие,

197

т.е. создать инверсное состояние, когда вероятность излучательной рекомбинации wизл будет больше вероятности поглощения wпогл

где En , Ep – энергия электронов, дырок.

Поскольку минимальное энергетическое расстояние между En и Ep

Последнее соотношение является условием инверсии населенностей для переходов зона-зона.

Из сказанного следует, что для создания инверсных состояний при инжекции неосновных носителей заряда через p-n–переход, т.е. удовлетворения условия (7.103) необходимо, чтобы одна или обе области перехода были вырожденными, т.е. имели сильную степень легирования. Как известно, в таких полупроводниках уровень Ферми находится в разрешенной зоне (рис. 7.15, а).

Рис. 7.15. Электрические диаграммы для вырожденного p-n–перехода: а – в отсутствие смещения; б – смещение в прямом направлении,

d – ширина перехода, l – ширина активной области (E*фп-Е*фп>Eg)

При прямом включении p-n–перехода происходит смещение энергетических уровней, уменьшение высоты и широты d потенциального барьера, исходящий уровень Ферми расщепляется на квазиуровни Eфр* и

Ефп* (см. рис. 7.15). На рисунке видно, что в окрестности перехода воз-

никает активный слой, в котором соблюдается условие инверсии насе-

198

ленности (7.103). Толщина активного слоя l может быть значительно больше d. Именно из этого слоя происходит излучение электромагнитных волн. Частота излучения определяется шириной запрещенной зоны

Последнее выражение показывает центр спектральной характеристики излучения, интенсивность которого описывается выражением

Из данного выражения следует, что с ростом температуры спектральная характеристика излучения деформируется. Величина (Δν)0,5 характеризует степень этой деформации, она показывает частотный ин-

На базе электрооптических явлений основана работа светоизлучающих приборов – светодиодов. Светодиоды содержат p-n–переход, выполненный, как правило, из материала с прямозонной энергетической структурой (п. 6.3) GaAs, GaN и др. P-n–переход заключают в прозрачный корпус в виде сферы, полусферы, параллелепипеда и т.д. В микрооптоэлектронных устройствах излучающие светодиоды интегрированы в световод.

Применение гетеропереходов (п. 7.5) дает существенные преимущества по сравнению с p-n–переходами на основе гомогенных структур. Они определяются в основном эффектами широкозонного окна, односторонней инжекции и суперинжекции. Зонные диаграммы приведены в п. 7.5.

1. Эффект широкозонного окна позволяет с минимальными потерями вывести излучение, генерируемое в активной области, через область широкозонного полупроводника. В гомопереходе излучение с

частотой v0 Ehg активно поглощается в p- и n-областях, поскольку они

имеют одну ширину запрещенной зоны. В широкозонной области Eg1 > Eg2 и поглощение там гораздо меньше.

199

2.Эффект односторонней инжекции. В гетеропереходах за счет разности потенциальных барьеров для электронов (дырок) всегда осуществляется преимущественная инжекция из широкозонной области в узкозонную. Так, для p-n–гетероперехода больший барьер в зоне проводимости препятствует инжекции электронов в широкозонную p-область,

адля n-p–гетероперехода больший барьер в валентной зоне препятствует инжекции дырок в n-область. Этот эффект позволяет осуществлять преимущественную инжекцию носителей заряда в ту область перехода, где максимален квантовый выход электролюминесценции.

3.Эффект суперинжекции. В гомопереходах, как уже говорилось, концентрация инжектированных носителей не может превышать концентрации носителей в области эмиттера. В гетеропереходах за счет наличия потенциальных ям это возможно (п. 7.5). Эта особенность инжекции в гетеропереходе делает его очень эффективным, что весьма важно для электронно-оптических источников излучения.

Для приборной реализации всей световой гаммы используется широкий спектр полупроводниковых материалов в гомо- и гетеропереходах. Выпускаются светодиоды красного (GaP-ZnO, GaAs0,6P0,4), оранже-

вого (GaAs0,35P0,65), желтого (GaAs0,14P0,86), зеленого (GaP, ZnTe), голубого (GaAs-ErYb, SiC, CdS), фиолетового (GaN) цветов свечения. Также

светодиоды используют в устройствах отображения информации, устройствах приборной индикации. Выпускаются светодиоды, работающие в инфракрасной области спектра (GaAs, λ~0,9мкм; Ga0,3In0,7As,

λ~1,2мкм; Ga0,28In0,72, As0,6P0,4, λ~1,3 мкм).

Эти светодиоды используются в системах оптоэлектронной коммутации, оптических линиях связи, системах дистанционного управления, оптоэлектронных процессорах, ЗУ, оптоэлектронных вычислительных машинах.

7.10. Инжекционные полупроводниковые лазеры

Рассмотренные светоизлучающие диоды являются источником некогерентного излучения, т.е. излучение представляет собой поток фотонов различной частоты, поляризации и разности фаз. Источником когерентного излучения служит лазер (оптический квантовый генератор – ОКГ). Частота, поляризация и разность фаз колебаний лазерного излучения

200

являются практически неизменными. Для различных целей созданы определенные типы лазеров: твердотельные, жидкостные, газовые.

Инжекционные полупроводниковые лазеры (ИППЛ) представля-

ют собой основной элемент излучательной когерентной оптоэлектроники. Принцип действия и конструктивные особенности таких лазеров и светодиодов во многом сходны. Основным принципиальным отличием лазеров является наличие оптического резонатора, в котором находится активная зона лазера. Резонатор, необходимый для генерации когерентного излучения, формируют путем шлифовки противоположных и перпендикулярных плоскости перехода граней кристалла. Две другие перпендикулярные плоскости перехода грани делаются шероховатыми, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным (рис. 7.16). Такая структура называется резонатором Фабри-Перо, она играет роль положительной обратной связи для активной среды.

Рассмотрим процесс усиления электромагнитного излучения. Если в активной среде создана инверсия населенностей, то возникший в ней фотон может вызвать переход электрона с верхнего уровня на нижний с испусканием второго фотона. Этот процесс называют вынужденным, или стимулированным, излучательным переходом. В случае p-n– перехода это акт излучательной рекомбинации (рис. 7.16, б).

Вероятность такого перехода максимальна, если частота первого фотона равна

Второй фотон, естественно, будет иметь такую же частоту, фазу и поляризацию. Эти фотоны стимулируют генерацию еще двух фотонов.

Таким образом, происходит усиление электромагнитной волны в ак-

тивной среде, причем усиленный сигнал сохраняет характеристики сигнала, входящего в систему.

Как уже говорилось, условием для создания инверсии населенностей в p-n – переходе является выражение (7.103). Для усиления электромагнитной волны это условие является необходимым, но недостаточным. Достаточным условием будет превышение усиления, достигнутого за счет процессов излучательной рекомбинации, над всеми возможными потерями. Интенсивность излучения

201

где α – коэффициент квантового усиления среды; β – коэффициент потерь при поглощении и рассеянии; l – длина пути;

Iвх(Iвых) – интенсивность входящего (выходящего) излучения.

Вэтом случае достаточное условие усиления (Iвых > Iвх) имеет вид

α> β. Квантовые усилители используются для промежуточного усиления светового сигнала в длинных световодах и практически не искажают проходящий сигнал.

Для превращения усилителя в генератор необходимо, как обычно, ввести положительную обратную связь. В электронных усилителях это достигается тем, что часть сигнала с выхода усилителя подают на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) данную функцию выполняет оптический резонатор. Обычно это параллельные зеркала, одно из них служит для вывода излучения и является полупрозрачным. Существуют и более сложные оптические резонаторы, например, с регулируемой прозрачностью одного из зеркал. В ИППЛ эту функцию выполняют гладкие грани кристалла. Как и всякий другой резонатор, оптический резонатор играет роль селектора электромагнитных волн: в нем отбираются лишь те из них, которые соответствуют параметрам резонатора, только они усиливаются в активной среде.

Рис. 7.16. Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе: а – структура; б – зонная диаграмма; I – когерентное излучение;

АО – активная область; Э – электрод

Напомним, что в ИППЛ используется резонатор Фабри-Перо, зеркала которого также вносят потери. При отражении от зеркала интенсивность света уменьшается в R раз, где R – коэффициент отражения. Если учесть потери на зеркалах и зависимость (7.108), достаточное условие усиления будет иметь вид

202

где R1, R2 – коэффициенты отражения зеркал.

Из последнего выражения очевидно, что ИППЛ имеет пороговый ток Iпор, при достижении которого возникает генерация индуцированного, когерентного излучения. При малых токах (I < Iпор) излучение является спонтанным, т.е. некогерентным. Теоретически КПД ИППЛ может приблизиться к 100%, практически он намного меньше, поскольку мощность излучения P, пропорциональная величине прямого тока Iпр, ограничена пороговым током

В гомолазерах пороговые токи велики и составляют 100-104 А/см при различных температурах. Высокие плотности тока приводят к разогреву кристалла. В непрерывном режиме работы лазера удается отвести 30-40 Вт при температуре 4К, 10 Вт при температуре 77 К и менее 1 Вт при комнатной температуре. Поэтому непрерывный режим возможен только при условии охлаждения, а в обычных условиях используют импульсный режим работы.

Гомолазеры не получили широкого распространения вследствие низких эксплутационных параметров, малого срока службы, большого Iпор, низкого КПД. Основными причинами этого являются:

-большая вероятность безызлучательной рекомбинации в вырожденных полупроводниках;

-поглощение излучения вне активной области;

-пролетание инжектируемых носителей в пассивную область. Указанные недостатки могут быть устранены в геторолазерах. Пре-

имущества гетеропереходов указаны в п. 7.9. В таком ИППЛ средним активным слоем служит материал с меньшей шириной запрещенной зоны, а эмиттерами – материалы с большой шириной запрещенной зоны (рис. 7.17, а). При включении гетероперехода в прямом направлении создается инверсия населенностей за счет высокого уровня инжекции электронов и дырок в узкозонную область. В этом случае нет необходимости в высокой степени легирования активной области, резко снижаются потери излучения, а следовательно, и пороговая плотность тока. При комнатной температуре она составляет 900 А/см2. Квантовая эф-

203