2.3. Кесте
2.3.-кестеде шалаөткізгішті сәулелендіргішті дайындау үшін қолданылатын материалдар келтірілген; сонымен қатар әр материал үшін ЕG тиым салынған зонаның енінің мәндері берілген.
Қазіргі сәулелендіргіштер негізінен тік ауысуларды қолданады. ЕG тиым салынған зонаның енінің таңдалуы толқындардың оптикалық диапазонындағы сәулелендіргіштің λр жұмыс толқынымен анықталады.
Көрінетін жарық диапазонында (0,38...0,78 мкм) жұмыс істеу үшін толқын ұзындығының ені 1,5...3,0 эВ болатын шалаөткізгіштер қажет. Бұл талап германий мен кремнийді қолдануға рұқсат бермейді, олардың технологиясы жақсы жасалынған және А III В V типті материалдарға өтуді шарттайды және т.б.
Шалаөткізгіштерде оптикалық сәулеленудің генерациясы әдетте электролюминесценцияның көмегімен қамтамасыз етіледі. Электролюминесценция кезінде қозатын энергия электрлік өрістен алынады. Электролюминесценцияның екі түрін ажырата аламыз:
Инжекциялық, ол тік кернеу астында орналасқан p–n-ауысуында пайда болады.
Пробой алдындағы электролюминесценция, ол мықты өрістерде дамиды, p–n-ауысулардың электрлік пробой пайда болатын жеріне жақын болады.
Сәулелендіргіштерде инжекциялық электролюминесценция кеңінен таралған.
2.12. Сыртқы кванттық шығыс және сәулелену шығыны
Инжекциялық электролюминесценция сәулелендіретін шалаөткізгішті диодтар жұмысының физикалық негізі болып табылады. <<Сәулелендіретін диодтар>> термині көрінетін сәуле диапазонында жұмыс істейтін диодтарды алады, - бұл жарық сәулелендіргіш диодтар (СИД), олар информацияның визуалды бейнесі үшін қолданылады. Және де оптикалық сәулеленудің инфрақызыл диапазонында жұмыс істейтін инфрақызыл сәулелендіргіш диодтар бар (ИК-диодтар).
Сәулелендіретін диод – когерентті емес оптоэлектрониканың негізгі және универсалды сәулелендіргіші. Бұл оның мынадай қасиеттерін көрсетеді: электрлік энергияны оптикалыққа түрлендірудегі жоғары КПД,бір жағынан диодтың бір типі үшін сәулеленудің тар спектрі, екінші жағынан, түгелдей оптикалық сәулелену диапазонын әртүрлі типтегі диодпен қаптау, когерентті сәулелену үшін жоғары бағыттылық, кернеудің тура құлауының аздығы, жоғары жылдамдық, аз габариттер,микроэлектронды құрылғылармен бірге технологиялық сәйкестік, жоғары қорғаныс және ұзақ өмір сүру.
Сәулеленетін диодтың сапасы сыртқы кванттық шығыспен сипатталады
Бұл жердегі γ – инжекция коэффициенті; ᶯэ – ішкі кванттық шығыс; ᶯопт – оптикалық эффективтілік немесе жарықтың қорытынды коэффициенті.
γȵэ туындысы инжекционды электролюминесценция эффективтілігін анықтайды. Алайда, γȵэ –нің үлкен мәні кезінде сыртқы кванттық шығыс аз болып қалуы мүмкін. Диодтың активті аймағынан сәулелену қорытындысы кезінде 2.17-суретте көрсетілген энергия шығындары орнына ие болады.
Өздік жұтылудағы шығындар (1-сәулелену). Фотондарды шалаөткізгіштік жұтылу кезінде олардың энергиясы валенттік зонаның электрондарына берілуі мүмкін. Өткізгіштік зонаның еркін электрондармен немесе валенттік зонаның кемтіктерімен фотондар энергиясының жұтылуы болуы мүмкін. Оның үстіне фотондар энергиясы шығындалады және олар үшін әлдеқайда жоғары деңгейге тасымалдағыштар ауысады, бірақ ол рұқсат етілген зоналардың сәйкес шектерінде болады.
2.17-сурет.Оптикалық сәулеленудің сыртқы ортаға шығу кезіндегі шығындары.
Фотондардың қоспалы жұтылулары болуы мүмкін, бұл кездегі олардың энергиясы қоспалы деңгейлерге шашырайды. Одан өзге, шалаөткізгіштерде кристалдық тордың фотондарының жұтылуы болуы мүмкін. Бұл жұтылу электрондардың акцепторлықтан донорлыққа ауысу жұтылуы деп аталады және т.б.түрлері бар.
Толық ішкі шағылу шығындары (2-сәулелену). Сәулеленудің оптика бөлімінің әлдеқайда тығыз ортаға (шалаөткізгіш) және азырақ тығыздық (ауа) шекарасына түсуі сәлелену бөлшектері үшін толық ішкі шағылысу шарты орындалады. Бұл кристалдың ішінен көрінетін сәулелену бөлігі, өздік жұтылу әсерінен ол соңғы санауда жоғалады.
Θ бұрыштың астына,бөліктің бетіне түсетін және Θкр. Критикалық бұрыштан жоғары сәулелену толық ішкі шағылуда болады, Θ< Θкр. кезінде сәулелену жарықтанбаған беттен ақырындап шағыла бастайды. Бұл френелдік шығындар деп аталады. Егер шалаөткізгіштің бетіне қалыңдығының мәндері және сыну көрсеткіштері сәйкес диэлектрлік жұқа қабықты енгізсек, онда жарықтанатын қозғалыс көрсетеді және өткізу коэффициенті үлкейеді; бұл кезде критикалық бұрыш өзгермейді.
Кері 3-тегі шығындар (Потери на обратное 3) және 4 кесік сәулелену (торцевое 4 излучения). Шалаөткізгіштің активті аймағындағы генерация спонтанды болады және сәулелер барлық бағытқа бірдей таралатындығымен сипатталады. Эмиттер жаққа таралатын 3-сәулелену жылдам жұтылады.
Активті аймақ көрші аймақтарға қарағанда сыну көрсеткішімен сәл ерекшеленеді. Сондықтан да, 4-сәулелену үлкен шағылысулар әсерінен активті аймақтан фокусирленеді. Осылайша кесік сәулеленудің интенсивтілігі кристалдан жарықтың шығу бағыттарына қарағанда жоғары болады.
Диодтан оптикалық сәулеленудің шығу эффективтілігі ᶯопт – шығу коэффициентімен сипатталады және шығыс сәулелену қуатының кристал ішін генерациялайтын сәулелену қуатына қатынасымен анықталады:
Осылайша, сыртқы кванттық шығыс ƞ – бұл СИД сәулелендіргіш қасиетінің интегралдық көрсеткіші, ол γ инжекция эффективтілігін, ᶯэ электролюминесценциясын және оптикалық сәулеленуді тудыру кезіндегі ᶯопт сәулелену қорытындысын ескереді.