Принцип действия
Когда диод смещён в прямом направлении, дырки из p-области инжектируются в n-область p-n-перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс (называется спонтанным излучением) – основной источник излучения в светодиодах.
При определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут совпадать с характеристиками первого фотона.
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка, по сути – оптический волновод, где излучение ограничено относительно небольшим пространством. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создаётся p-область. В результате получается плоский p-n-переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он вызывает вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение усиливается (механизм вынужденного излучения).
Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»).
Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Области применения: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. Если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Тогда ширина луча определяется только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов – не могут излучать на разных длинах волн одновременно.
Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.
В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы.
Полупроводниковый приемник излучения – фотодиод. Его обратный ток зависит от освещенности. На рис. П4 – ВАХ фотодиода. Кривая A соответствует затемненному состоянию (световой поток Ф = 0). При освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком. Кривая C соответствует большему световому потоку Фс > Фв.
-
Обозначение фотодиода на принципиальных схемах
Фотодио́д – приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте, называется солнечным элементом. Фотовольтаический эффект – разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС.
Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.
Рис. П22 – Структурная схема фотодиода |
На рис. П22: 1 – кристалл полупроводника; 2 – контакты; 3 – выводы; Φ – поток электромагнитного излучения; Е – источник питания; RH – нагрузка. Принцип работы. При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей – дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n. |
Фотодиод может работать в двух режимах:
фотогальванический режим – без внешнего напряжения;
фотодиодный режим – с внешним обратным напряжением.
Рис. П23 – К эффекту Пельтье |
Эффект Пельтье – термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока Q = ПАBI = (ПB – ПA)I, где Q – количество выделенного или поглощённого тепла; I – сила тока; П – коэффициент Пельтье. Коэффициент Пельтье связан с коэффициентом термо-ЭДС α соотношением Томсона П = αT, где Т – абсолютная температура в K. |
Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году. В 1838 году Ленц провёл эксперимент – поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока лёд таял. Эксперимент позволил установить, что в зависимости от направления протекающего тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье.
Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека. Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.
Причина возникновения явления Пельтье – на контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению места контакта.
Диод Ганна
Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазона может быть использована аномальная зависимость скорости электронов от напряженности электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях, прежде всего в арсениде галлия. При этом основную роль играют процессы, происходящие в объеме полупроводника, а не в p-n-переходе. Генерацию СВЧ-колебаний в однородных образцах GaAs n-типа при напряженности постоянного электрического поля выше порогового значения впервые наблюдал Дж. Ганн в 1963 г., поэтому такие приборы называют диодами Ганна.
В отечественной литературе диоды Ганна называют также приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов. Активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины в «боковую», где они характеризуются большой эффективной массой и малой подвижностью. В иностранной литературе последнему названию соответствует термин Transferred Electron Device (TED).
Рис. П24 – Характеристика скорость-поле |
На рис. П24 – аппроксимированная зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля для GaAs. В слабом поле подвижность µ1 электронов велика и составляет 6000…8500 см2/(В∙с). При напряженности поля выше 3,5 кВ/см за счет перехода части электронов в «боковую» долину средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается с ростом поля. Наибольшее значение модуля дифференциальной подвижности |µ2диф| = ∂v/∂E на падающем участке примерно втрое ниже, чем подвижность в слабых полях. При напряженности поля выше 15…20 кВ/см средняя скорость электронов почти не зависит от поля и составляет около 107 см/с, так что отношение vнак/vmax ≈ 0,5. |
Характеристика скорость-поле может быть приближенно аппроксимирована так, как показано на рис. П24. Время установления отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) складывается из времени разогрева электронного газа в «центральной» долине (~10–12 с для GaAs), определяемого постоянной времени релаксации по энергии и времени междолинного перехода (~5∙10–14 с).
Можно было бы ожидать, что наличие падающего участка характеристики v(E) в области ОДП при однородном распределении электрического поля вдоль однородно легированного образца GaAs приведет к появлению падающего участка на вольт-амперной характеристике диода. Значение конвекционного тока через диод
I = S∙e∙n∙v(E),
где E = U/l; S – площадь сечения; l – длина образца между контактами.
|
Рис. П25 – К пояснению процесса формирования слоя накопления в кристалле n-GaAs |
На этом участке диод характеризовался бы отрицательной активной проводимостью и мог бы использоваться для генерирования и усиления колебаний аналогично туннельному диоду. Однако на практике осуществление такого режима в образце полупроводникового материала с ОДП затруднено из-за неустойчивости поля и объемного заряда. Флюктуация объемного заряда в этом случае приводит к нарастанию объемного заряда по закону
,
,
где τД – постоянная диэлектрической релаксации; n0 – концентрация электронов в исходном полупроводнике n-GaAs.
В однородном образце, к которому приложено постоянное напряжение
U0 = E0l > Eпорl,
локальное повышение концентрации электронов приводит к появлению отрицательно заряженного слоя (рис. П25), перемещающегося вдоль образца от катода к аноду.
Под катодом понимается контакт на который подан отрицательный потенциал. Возникающие при этом внутренние электрические поля E1 и E2 накладываются на постоянное поле E0, увеличивая напряженность поля справа от слоя, и уменьшая ее слева – рис. П25, а). Скорость электронов справа от слоя уменьшается, а слева – возрастает. Это приводит к дальнейшему нарастанию движущегося слоя накопления и к соответствующему перераспределению поля в образце – рис. П25, б). Обычно слой объемного заряда зарождается у катода, так как вблизи катодного омического контакта имеется область с повышенной концентрацией электронов и малой напряженностью электрического поля. Флюктуации, возникающие вблизи анодного контакта, вследствие движения электронов к аноду не успевают развиться.
Однако такое распределение электрического поля неустойчиво и при наличии в образце неоднородности в виде скачков концентрации, подвижности или температуры может преобразоваться в так называемый домен сильного поля. Напряженность электрического поля связана с концентрацией электронов уравнением Пуассона, которое для одномерного случая имеет вид
.
(1)
Рис.
П26 – К пояснению процесса формирования
дипольного домена
Повышение электрического поля в части образца сопровождается появлением на границах этого участка объемного заряда, отрицательного со стороны катода и положительного со стороны анода – рис. П26, а). При этом скорость электронов внутри участка падает – рис. П24. Электроны со стороны катода догоняют электроны внутри этого участка, за счет чего увеличивается отрицательный заряд и образуется обогащенный электронами слой. Электроны со стороны анода уходят вперед, за счет чего увеличивается положительный заряд и образуется обедненный слой, в котором n < n0. Это приводит к дальнейшему увеличению поля в области флюктуации по мере движения заряда к аноду и к возрастанию протяженности дипольной области объемного заряда. Если напряжение, приложенное к диоду, поддерживается постоянным, то с ростом дипольного домена поле вне его уменьшается – рис. П26, б).
Рис. П27 – Эквивалентная схема генератора Ганна |
Нарастание поля в домене прекратится, когда его скорость vдом сравняется со скоростью электронов вне домена. Очевидно, что vнак < vдом < vmax. Напряженность электрического поля вне домена EB (рис. П26, в) будет ниже пороговой напряженности Eпор, из-за чего становится невозможным междолинный переход электронов вне домена и образование другого домена вплоть до исчезновения сформировавшегося ранее на аноде. |
После образования стабильного домена сильного поля в течение времени его движения от катода к аноду ток через диод остается постоянным.
Приложение 2. Соотношения между некоторыми единицами физических величин:
Приложение 3. Физические постоянные:
Содержание