Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 6_Оптоэлектронные полупроводниквые приборы
.pdf
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Тема 6. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы
Смирнов В.И.
кафедра ПиТЭС, УлГТУ
6.1 |
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы |
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы подразделяются на оптические излучатели, фотоприемники и оптроны.
К полупроводниковым излучателям относятся:
-светодиоды (источники некогерентного излучения);
-полупроводниковые лазеры, генерирующие когерентное излучение. К фотоприемникам, преобразующих энергию света в электрический
ток или детектирующих оптический сигнал, относятся:
-фоторезисторы;
-фотодиоды;
-фототранзисторы;
-фотоэлементы и солнечные батареи, состоящие из множества фотоэлементов, преобразующих энергию Солнца в электроэнергию.
-К оптронам (оптопарам), предназначенным для гальванической развязки силовых электрических цепей от цепей управления, относятся:
-опторезисторы;
-оптодиоды;
-оптотранзисторы;
-оптотиристоры.
6.2 |
Полупроводниковые светодиоды |
Зонная диаграмма p-n перехода при прямом смещении
Рекомбинации электронов и дырок сопровождается испусканием светового кванта (фотона), энергия которого примерно равна ширине запрещенной
зоны Eg= (ЕC-ЕV).
Возможна и безызлучательная рекомбинация, которая происходит с участием дефектов структуры и примесных атомов и сопровождается передачей энергии тепловым колебаниям кристаллической решетки.
Эффективность излучения светодиода зависит от соотношения вероятностей излучательной и безизлучательной рекомбинаций.
Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому надо уменьшать толщину активной области, в которой происходит рекомбинация. Но в обычных
p-n переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины.
6.3 |
Полупроводниковые светодиоды |
Зонная диаграмма гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при U > 0
Особенностью такой двойной гетероструктуры (ДГС) является наличие тонкого слоя узкозонного полупроводника, окруженного с двух сторон слоями широкозонного полупроводника.
Это позволяет локализовать носители в слое узкозонного полупроводника и получить, тем самым, высокую концентрацию электронно-дырочных пар.
Варьируя долю атомов In в твердом растворе InGaN, можно в широком диапазоне изменять значение его Eg, что позволяет перекрыть спектральный диапазон излучения светодиода от 240 до 620 нм.
Слой InGaN не легируют, поэтому внутренний квантовый выход ≈ 100%. Фотоны из активной области выходят наружу через широкозонный
полупроводник, поэтому велик и внешний квантовый выхлд.
Конструкция светодиода
6.4 |
Полупроводниковые инжекционные лазеры |
|
Принцип действия лазера |
Оптические переходы в среде с тремя |
Инверсная населенность |
рабочими энергетическими уровнями |
в трехуровневой системе |
Условия для работы лазера: 1. Наличие среды с инверсной населенностью энергетических уровней.
2. Наличие оптического резонатора.
Схема генерации излучения в рубиновом лазере
6.5 |
Полупроводниковые инжекционные лазеры |
|
Инжекционные лазеры на ДГС |
Зонная диаграмма ДГС |
Полупроводниковый лазер на ДГС |
При достаточной величине прямого тока, превышающей некоторое пороговое значение, в активном слое возникнет инверсная населенность.
Роль оптического резонатора в инжекционном лазере выполняют грани кристалла, с нанесенными зеркальными покрытиями. Боковые грани скашиваются под некоторым углом или их делают шероховатыми.
Активный слой GaAs имеет большее значение показателя преломления, чем слой оболочки из AlGaAs. Поэтому он является волноводом.
6.6 |
Инжекционные лазеры на ДГС |
|
Мощность излучения инжекционного лазера зависит от величины инжекционного тока. На ватт-амперной характеристика есть три участка.
На 1-м преобладает спонтанное
|
излучение, лазер работает как светодиод. |
|
На 2-м индуцированное и спонтанное |
Ватт-амперная характеристика |
излучения сопоставимы между собой. |
инжекционного лазера |
На 3-м возникает лазерная генерация. |
Достоинства инжекционных лазеров:
-малые размеры (Lmin ~ 10 мкм, S ~ 1 мкм2);
-высокий КПД преобразования электрической энергии в оптическую;
-удобство управления (низкие напряжения и токи накачки позволяют реализовать устройства управления на ИМС);
-возможность варьировать мощность излучения;
-возможность работы как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Недостатки: невысокая когерентность оптического излучения; большая
ширина спектральной линии; большая угловую расходимость луча.
6.7 |
Полупроводниковые фотоэлементы |
Полупроводниковый фотоэлемент − это полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом (или несколькими гетеропереходами), предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую.
Если Еф>ΔEg, то вблизи ОПЗ
|
|
|
|
генерируются электронно-дырочные |
||||
|
|
|
|
пары, разделяемые полем в ОПЗ. |
||||
|
|
|
|
|
В результате через p-n-переход |
|||
|
|
|
|
протекает фототок Iф. Накопление в |
||||
|
|
|
|
p-области дырок, а в n-области |
||||
|
|
|
|
электронов вызывает понижение |
||||
|
|
|
|
потенциального барьера на величину |
||||
Полупроводниковый фотоэлемент |
Vф, называемую фотоЭДС. |
|||||||
|
|
|
|
|||||
Понижение потенциального барьера на Vф вызывает протекание Iпр: |
||||||||
|
|
|
q Vф |
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
I |
e k T |
|
1 , |
I |
s |
– ток насыщения |
||
пр |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.8 |
Полупроводниковые фотоэлементы |
Если p-n-переход разомкнут, то на электродах фотоэлемента возникнет фотоЭДС холостого хода Vф.хх. При этом Iф = Iпр:
|
|
|
|
q Vф.хх |
|
После преобразований получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k T |
|
||
I |
|
I |
e |
1 . |
ВАХ фотоэлемента в режиме |
|
|
ф |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
холостого хода: |
|
|
|
|
|
|
|
k T |
Iф |
|
|
V |
q |
ln |
|
1 . |
|
||||
ф.хх |
I |
|
||
|
s |
|
||
|
|
|||
При наличии внешней нагрузки R, через него будет протекать ток I. В этом случае понижение барьера Vф будет меньше, чем Vф.хх, что также уменьшит прямой ток Iпр через переход. Тогда:
|
|
|
|
q Vф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I |
|
I |
e k T |
1 |
I. |
|
|
ф |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
После преобразований получим ВАХ фотоэлемента в режиме работы с нагрузочным резистором :
|
k T |
Iф I |
|
|
V |
|
ln |
|
1 . |
|
|
|||
ф |
q |
|
Is |
|
|
|
|
||
ВАХ фотоэлемента и зависимость Рвых от Vф при разных Ф1 и Ф2