14) Компоненты оптоэлектроники. Светодиоды. Компоненты оптоэлектроники

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются оптические и электронные свойства, средства и методы. В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Преимущества оптоэлектронных устройств:

полная гальваническая развязка между входными и выходными цепями;

отсутствует обратное влияние приемника сигнала на его источник;

легко согласуются между собой электрические цепи с различными входными и выходными импедансами (сопротивлениями);

оптоэлектронные устройства имеют широкую полосу пропускания и преобразования сигнала;

оптоэлектронные устройства имеют бОльшую скорость распространения сигнала, что позволяет говорить об относительно высоком быстродействии;

высокая информационная емкость каналов;

на оптоэлектрические цепи не влияют помехи от внешних электромагнитных цепей, так как носители электрически нейтральны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой.

Недостатки:

плохая временная и температурная стабильность;

большая потребляемая мощность;

значительно большая сложность изготовления универсальных устройств по обработке сигналов;

меньшие функциональные возможности по сравнению с интегральными микросхемами;

более жесткие требования к технологии.

Оптоэлектронными называются устройства, излучающие или преобразующие излучение в инфракрасном, ультрафиолетовом или видимой части спектра. Или же в своей работе они используют электромагнитное излучение с аналогичными частотами.

К оптоэлектронным устройствам относятся:

полупроводниковые микросхемы, выполняющие функцию оптического преобразователя информации;

устройства отображения информации;

сканисторы (устройства развертки изображения);

единичные преобразователи электрического сигнала в оптический и наоборот (фотоприемник и фотопередатчик).

Для реализации оптоэлектронных устройств необходимы:

управляемый источник света, яркость которого определяется электрическим сигналом;

фотоприемник, сопротивление или ЭДС которого зависят от освещенности.

В основе оптоэлектроники лежит пара с фотонной связью (оптрон). Простейший оптрон – 4-х полюсник из 3-х блоков: источник света, световод, приемник. Сопротивление утечки цепи составляет порядка 1012 – 1016 Ом.

Светодиоды.

Светодиоды - это p-n переходы, которые при прямом смещении могут испускать спонтанное излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях электромагнитного спектра. Светодиоды видимого диапазона. Эти светодиоды широко применяются в информационных каналах, обеспечивающих связь электронной аппаратуры с её пользователями. Поскольку глаз чувствителен только к свету с энергией hv~1.8 эВ (~0.7 мкм), то полупроводники, которые могут быть использованы для создания светодиодов видимого диапазона, должны иметь ширину запрещённой зоны больше этого значения. На практике наибольший интерес представляет GaAs(1-x)Px, относящийся к соединениям типа A(III)-B(V).

На рисунке (а) приведена зависимость ширины запрещённой зоны данного полупроводника от молярного содержания компонент х. В диапазоне 0<0.45 запрещёная зона прямая, а её ширина увеличивается от Eg=1.424 эВ При х=0 до Eg=1.977 эВ при х=0.45. При х>0.45 полупроводник становится непрямозонным.

На рисунке (б) приведена зависимость энергии от волнового вектора для нескольких значений х, из которой следует, что зона проводимости имеет два минимума. Те минимумы, которые расположены в точке Г, являются прямыми, тогда как другие, расположенные на оси х, непрямые.

Электроны в прямом минимуме зоны проводимости и дырки в максимуме валентной зоны обладают одинаковыми квазиимпульсами; электроны в непрямом минимуме имеют другое значение квазиимпульса. Для таких прямозонных полупроводников, как GaAs и GaAs(1-x)Px (x<0.45) квазиимпульс при межзонных переходах сохраняется, поэтому эти переходы характеризуются высокой степенью вероятности. При этом энергия фотона приблизительно равна ширине запрещённой зоны полупроводника. В прямозонных материалах процесс излучательной рекомбинации является доминирующим.