лекции / 2.2 Конструкция и принцип действия полупроводниковых излучателей

Тема: «Конструкция и принцип действия полупроводниковых излучателей»

 Типы излучателей оптоэлектронных приборов

Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод.

Это обусловлено следующими его достоинствами:

• высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую;

• узкий спектр излучения (квазимонохроматичность);

• широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами;

• направленность излучения;

• высокое быстродействие;

• малые значения питающих напряжений и токов;

• совместимость с транзисторами и интегральными схемами;

• простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока;

• возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме;

• линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов;

• высокая надежность и долговечность;

• малые габариты;

• технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

Светодиоды преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок.

В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной.

В светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот.

Для изменения длины волны излучения нужно изменять материал, из которого изготовлен светодиод, или в некоторых случаях (двуцветные светодиоды) изменять прямой ток через светодиод. На рис. 15.2 а,б показано схематическое устройство светодиода, а на рис. 15.2 в приведены спектральные характеристики его излучения.

Для изготовления светодиодов видимого спектра излучения наиболее часто используют фосфид галлия или твердый раствор GaAsP. Для диодов ближнего ИК-диапазона часто используют кремний, арсенид галлия или твердый раствор GaA1As.

Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция (проникновение) избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации.

Излучательная рекомбинация — энергия уносится фотонами; безызлучательная рекомбинация — энергия передается фононам или другим частицам (оже-рекомбинация).

Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется, прежде всего, его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона. Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением:

,      (15.1)

где ΔЕ – ширина запрещенной зоны или энергия излучающего уровня.

Однако, конкуренцию излучательной рекомбинации составляет некоторые механизмы безызлучательной рекомбинации, в результате которых избыточная энергия выделяется не в виде излучения, а виде тепла.

Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения  , определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе говоря, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что .

  Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р-n переходом, смещенным в прямом направлении.

  "Полезной" компонентной тока, поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной области диода, является ток электронов, инжектируемых р-n переходом. К "бесполезным" компонентам прямого тока относятся:

1. Дырочная составляющая I_p, обусловленная инжекцией дырок в n-область и отражающая тот факт, что р - n-переходов с односторонней инжекцией не бывает, Доля этого тока тем меньше чем сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

2. Ток рекомбинации (безызлучательной) в области объемного заряда р - n-перехода I_рек. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может быть заметной.

3. Туннельный ток I_тун , обусловленный "просачиванием" носителей заряда через потенциальный барьер. Ток переносится основными носителями и вклада в излучательную рекомбинацию не дает. Туннельный ток тем больше, чем уже р–n переход, он заметен при сильной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях.

4. Ток поверхностных утечек I_пов, обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или иных закорачивающих включений.

При выводе излучения из области генерации имеют место следующие виды потерь энергии:

1. Потери на самопоглощение. Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (15.1), то она совпадает с "красной границей" поглощения, и такое излучение быстро поглощается в толще полупроводника (самопоглощение). В действительности, излучение в прямозонных полупроводниках идет не по приведенной выше идеальной, схеме. Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше, чем по (15.1).

2. Потери на полное внутреннее отражение. Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете, теряются за счет самопоглощения.

3. Потери на обратное и торцевое излучение.

Интегральным показателем излучательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода h_ext. Из сказанного ясно, что:

 (15.2)

где К_ОПТ – коэффициент вывода оптического излучения;

γ – коэффициент инжекции неосновных носителей заряда в базовую область р-п перехода.

Значение величины внешнего квантового выхода светодиода в настоящее время достигает (1…5 %).

В некоторых оптронах в качестве излучателя используется лазерный инжекционный диод.

Инжекционный лазер – это диод с монохроматическим излучением. Когерен­тное монохроматическое излучение обеспечивается стимулированной фотонной рекомбинацией, которая возникает при инжекции носителей заряда при опреде­ленном токе. Минимальный ток, при котором преобладает стимулированная фотонная рекомбинация, называется пороговым. При увеличении тока выше по­рогового значения происходит ухудшение монохроматического излучения.