6. Оптоэлектронные источники и приемники излучений. Распространение излучения по оптическому волокну. Современные п/п лазеры как основа дальнейшего развития оптических линий связи. Когерентная оптика в свете достижений последних 10 лет. Квантовое шифрование информации
6.1 Как рождается квант света в полупроводниковых приборах.
Если кратко, то рождение кванта света в полупроводниковых приборах основано на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Это значит, что носители заряда проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев благодаря подаче напряжения на р-n структуру. После этого электроны испытывают спонтанную рекомбинацию, которая сопровождается излучением света. Далее смотри 6.3.
6.2 В чем разница между прямозонными и непрямозонными полупроводниками.
Приведите примеры тех и других полупроводников
6.3 Принцип работы светодиода
Как и любой диод, светодиод включает в себя один полупроводниковый p-n-переход (электронно-дырочный переход).
С помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа – положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале р-типа приобретают дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.
При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах p- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны инжектируются в материал р-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал р-типа. Это называется прямым смещением.
Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал р-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет. Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.
Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах имеются потери, то на p-n-переходе генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение температуры p-n-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы светодиода, оптимизации его светового потока и повышения срока службы.
Для тех, кто не в курсе: светодиод — это такой полупроводниковый прибор, в котором электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение. Диод - то есть ток пропускать он способен только в одном направлении (см. статью Как работает диод) Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на токонепроводящей подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Для повышения жизнестойкости пространство между кристаллом и пластиковой линзой заполнено прозрачным силиконом. Алюминиевая основа служит для отвода избыточного тепла. Которого, надо сказать, выделяется совсем небольшое количество.
Свечение в полупроводниковом кристалле возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Область p-n-перехода, образуется контактом двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Чтобы p-n-переход стал излучать свет, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Чтобы соблюсти оба условия, зачастую одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и производители вынуждены идти на изготавление многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур.
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться).