7. Светодиоды.

В светодиодах свечение возникает при протекании тока в прямом направлении.

Свечение в светодиоде относится к явлению электролюминесценции. Инжекция на p-n переходе возн. в резонанс инжекции неосновных носителей заряда.

Электроны инжектируются в p-область, а дырки в n-область. Рекомбинация своб-х электронов и дырок может происходить на примесных уровнях или в рез. рекомбинации свободного эл. и дырки. Спектр испускания свет-в может иметь несколько полос, связанных с примесными центрами (активаторами), и полосу зонно-зонных переходов. Излучение св-а явл. спонтанным, кванты света распростроняются в разном направлении. Яркость свечения В зависит от величины тока протекающего через p-n переход ВIⁿ, где 1<n<2. В области p-n перехода т.ж. может происходить рекомбинация. Тратится на нагревание кристаллической решётки, поэтому КПД =до 40%.

Среди светоизлучающих диодов (СИД) различают диоды для индикации, для оптической связи, а также обладающие высокой мощностью излучения. Рассмотрим диоды, используемые в оптической связи. СИД по сравнению с полу­проводниковыми лазерами обладают более широким спектром излучения, полоса модуляции у них уже, а эффективность связи с оптическим волокном ниже.

По способу вывода излучения СИД подразделяются на дио­ды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями. В полупроводниковых лазерах обычно используется двойная гетероструктура

Структура СИД с поверхностным излучателем (а) и с торцевым излучателем (б): 1–эпоксидная смола. 2 –омический контакт; 3–излу­чение; 4– оптическое волокно; 5–подложка на n-GaAs; 6–активный слой; 7-теплоотвод; 8-нижний омический контакт (диаметром 50 мкм), 9 – нижний омический контакт (ширина 65мкм)10–подложка.

В СИД с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода (рис.а). Для улучшения отвода тепла от активного слоя одна сторона выращенного слоя прижимаемся к теплоотводу, а вывод излуче­ния осуществляется со стороны подложки. Для вывода излуче­ния через поглощающую подложку на арсениде галлия в AlGaAs СИД в подложке вырезается круглое отверстие и вво­дится оптическое волокно.

В СИД с торцевыми излучателями вывод излучения, выхо­дящего из активного слоя, осуществляется с торца, как в полу­проводниковых лазерах. Так как в этом случае генерируемое излучение при выводе наружу проходит через активный слой, то имеет место сильное самопоглощение и КПД вывода излу­чения не может быть таким же высоким, как у ранее рассмотренного типа диодов.

8. Полупроводниковый лазер.

Энергетический спектр идеального полупроводника состоит из очень широких зон: это валентная зона V и зона проводимо­сти С, разделенные областью запрещенных значений энергии (запрещенной зоной).

Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V (т. е. рекомбинировать с дыркой), то, если поместить такой полупроводник в соответствующий резонатор, можно получить лазерную генерацию. Необходимым условием лазерной генера­ции должно быть превышение числа вынужденных актов испускания фотонов над числом актов их поглощения. Чтобы получить вынужденное излучение, должно вы­полняться условие

Bq[f_с(1–f_υ)-f_υ(1–f_c)]>0.

Принцип действия полупроводникового лазера с р–n–переходом, а – нулевое смещение; б–смещение в прямом направлении.

Ha рис.1 схематически показано устройство лазера, ис­пользующего р–п–переход (заштрихованная область представ­ляет собой запирающий слой). Чтобы получить лазерную генерацию, две про­тивоположные поверхности полупроводникового образца поли­руют и делают плоскопараллельными, а две другие оставляют грубо обработанными с тем, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях. Обычно обе рабочие поверх­ности не имеют отражающих покрытий.

а – схема устройства полупроводникового лазера; б – распределе­ние интенсивности излучения лазера в поперечном сечении.

Полупроводниковый лазер не может работать в непрерывном режиме при температурах выше неко­торой критической температуры Т_с. Повышенные тем­пературы требуют более высокой плотности тока, которая в свою очередь приводит к дальнейшему росту температуры, исключая таким образом возможность получений непрерывного режима генерации. Самые эффективные лазеры имеют очень широкую полосу генерации (>10¹¹Гц)