3. Источники излучения оптоэлектроники

Приборы, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в световую, относятся к излучающим. К оптическому диапазону спектра в общем случае относятся электромагнитные волны, длина которых составляет от 1 до 10⁶ нм. Реально в оптоэлектронике используется обычно более узкий диапазон длин волн, включающий видимую и ближние инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра. Рассмотрим основные типы излучающих твердотельных приборов.

3.1. Физические основы взаимодействия излучения с веществом

Существует три возможных процесса взаимодействия квантовых систем и электромагнитного излучения (спонтанное излечение кванта, поглощение и вынужденное излечение кванта),, которые схематически показаны на рис. 17.

Рисунок 17. Квантовые переходы при взаимодействии с фотоном: а) – спонтанный переход с испусканием фотона; б) – вынужденный переход с поглощением фотона; в) – вынужеденный переход с испусканием фотона.

Рассмотрим переходы частицы из одного состояния в другое с выделением или поглощением энергии электромагнитного поля. Возбужденная частица в произвольный момент времени может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние, излучив при этом квант света. Такое излучение называется спонтанным.

Другим оптическим процессом является поглощение излучения частицей, переходящей в результате этого в возбужденное состояние.

При взаимодействии возбужденной частицы с фотоном возможен переход частицы в состояние с меньшей энергией - при этом излучается дополнительный фотон. Этот процесс носит название вынужденного или стимулированного излучения.

3.2. Светодиоды

Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р-переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р-переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние. Последние могут быть прямыми (без изменения импульса) и непрямыми (с изменением импульса). Межзонные и энергетические переходы из зоны проводимости в заполненную зону дают эффективное излучение, если переходы прямые. При непрямых переходах излучательная рекомбинация может эффективно осуществляться через примесные центры в два этапа: сначала локализация носителя на примесном центре, а затем его рекомбинация со свободным носителем другого знака.

Длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной полосы полупроводника, поэтому для получения излучения в видимой области используются широкозонные полупроводники. К ним относятся арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, многокомпонентные полупроводниковые соединения, например GaAlAs и другие.

Основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена. Мощность оптического излучения светодиода может быть найдена из уравнения:

,

где Р - излучаемая мощность, I/e - поток инжектированных носителей через переход, η_e - КПД вывода излучения, η_s - КПД светового излучения. Произведение η_eη_s представляет собой внешнюю квантовую эффективность. Для светодиодов с поверхностными излучателями она составляет около 3%, а для приборов с торцевыми излучателями 0,5-1%.

Наибольшие сложности возникают при получении коротковолнового излучения из-за технологических проблем создания n-р-переходов в соответствующих полупроводниках. Поэтому излучатели с синим цветом свечения часто выполняются в виде МДП-структур на основе нитрида галлия, карбида кремния, сульфидов и селенидов цинка и кадмия. Некоторые данные по внешней эффективности светодиодов на различных материалах сведены в таблице 4.

Одним из способов получения коротковолнового излучения может быть включение диода Шотки в обратном направлении. В начальном участке лавинного пробоя происходит ударная ионизация с образованием электронов и дырок, рекомбинация которых может давать излучение в синей области спектра.

Таблица 4.

Материалы и параметры светодиодов

Материал	Примесь или состав	Цвет свечения	Максимум , нм	hвн
GaAs	Si	ИК	950	12 -50
GaAs	Zn	ИК	900	12 -50
GaP	ZnO	красный	690	7
GaP	N	зеленый	550	0.7
GaAs1-ХРx	x = 0.39	красный	660	0.5
GaAs1-ХРx	x = 0.5 - 0.75	янтарный	610	0.04
Ga1-ХAlxAs	x = 0.05 - 0.1	ИК	800	12
Ga1-ХAlxAs	x = 0.3	красный	675	1.3
In1-ХGaxР	x = 0.58	красный	659	0.2
		янтарный	617	0.1
In1-ХGaxР	x = 0.6	желто-	570
GaN		зеленый синий	410	0.03

Создание эффективного светодиода для синей области позволяет получать любые цвета излучения путем нанесения на поверхность соответствующих люминофоров. Коротковолновое излучение может быть получено и при использовании антистоксовых люминофоров, хотя КПД преобразования длинноволнового излучения в коротковолновое мал (порядка 1%), а прибор имеет низкое быстродействие. Весьма важным является вопрос создания излучателей для области 1,1 - 1,3 мкм. Дело в том, что именно при длине волны 1,3 мкм имеют место минимальные потери в световодах.

Основные характеристики светодиодов – вольтамперные, яркостные и спектральные.

ВАХ светодиодов аналогичны ВАХ обычных диодов. Яркостные (рис.18а) характеризуются некоторым пороговым током и участком насыщения при больших токах из-за усиления вклада безизлучательной рекомбинации.

Спектральные характеристики (рис. 18б) имеют максимум, положение и ширина которого зависят от состава и энергетической структуры материала.

Рисунок 18. Спектральные (а) и световая (б) характеристики светодиодов.

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения. Ширина спектральной полосы излучения светодиода может быть найдена из уравнения:

Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах оптоэлектроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.