спектральной области λ 0,4 – 0,9 мкм. КПД таких приборов достигает 25% и более.

Большинство фотоэлектрических приборов с гетероструктурами создано на основе различным образом легированных кристаллов типа

AlxGa 1-xAs.

Режим, при котором к фотоэлементу прикладывается внешнее напряжение V0 обратном направлении, называется фотодиодным. Ток в цепи в этом случае определяется формулой (10) при замене Vф на IRн – V0 < 0, где V0 выбирается таким образом, чтобы экспонента в этой формуле была значительно меньше единицы, что легко достигается при обычных температурах. Тогда J = Jф + Jн и на наружном сопротивлении появляется сигнал ∆V = Jф Rн. Фотодиод имеет линейную световую характеристику и используется при создании чувствительных датчиков для измерения интенсивности световых потоков. Кроме того, он обладает высокими

частотными свойствами:у современных фотодиодов быстродействие доведено до ~ 10 –9 c.

5.4.Светодиоды.

При пропускании через фотоэлемент прямого тока концентрация неосновных носителей у границ р-n – перехода резко повышается и становится значительно выше равновесной. Повышается и концентрация основных носителей. Диффундируя вглубь полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют. Рекомбинация - это процесс, при котором электрон из зоны проводимости, теряя энергию переходит в валентную зону, где соединяется с дыркой (процесс, обратный процессу образования пары электрон – дырка). Если при этом существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света (излучательная рекомбинация), то, создав условия для выхода этого света наружу, полупроводниковый диод можно использовать как источник излучения. Такой прибор называется светодиодом.

Эффективность светодиода определяется его внутренним квантовым выходом ηвн, представляющим собой отношение числа испускаемых при рекомбинации квантов к числу инжектированных неосновных носителей:

где Ризл и Рбезызл – вероятности излучательной и безызлучательной рекомбинации в единицу времени. Если бы рекомбинация была только

излучательной, то η = 1. Однако наряду с излучательной рекомбинацией всегда протекает процесс безызлучательной рекомбинации, которую можно уменьшить только очистив полупроводник от глубоких рекомбинационных центров.

Серьезной технической проблемой является вывод излучения наружу, поскольку из-за высокого показателя преломления полупроводников у них мал угол полного внутреннего отражения, и только незначительная часть излучения выходит наружу. Поэтому мощность излучения светодиода в непрерывном режиме невелика – порядка нескольких милливатт.

Повышение эффективности работы светодиодов и фотопреобразователей в различных спектральных диапазонах достигается с использованием гетероструктур. Существенные преимущества гетеропереходов как основы фотоэлектронных приборов вытекают из возможности использования широкозонной части гетероперехода в качестве «окна», прозрачного для света, поглощаемого в узкозонной части, что обеспечивает выход рекомбинационного излучения без самопоглощения в материале полупроводника.

Светодиоды используются в качестве источников излучения в оптиковолоконных линиях связи, для направленной оптической связи в пределах прямой видимости, а также в качестве малогабаритных световых индикаторов. Выбирая для светодиода полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, можно получать различные цвета свечения диода.

5.5.Преобразование инфракрасного излучения в видимое.

Важным свойством гетеропереходов является возможность преобразования инфракрасного (ИК) излучения в видимый свет. Такие преобразователи используются в приборах «ночного видения», которые получают все большее распространение в различных областях техники. Техническое решение этой проблемы ранее осуществлялось на основе так называемых электронно-оптических преобразователей, основанных на внешнем фотоэффекте, в которых электроны, эмиттируемые с чувствительного к инфракрасному излучению катода, ускоряются внешним полем и бомбардируют люминесцентный экран. Большие габариты, малая ударная и вибростойкость, необходимость высокого вакуума и высоких напряжений – это далеко не полный перечень недостатков таких приборов. Кроме того, их чувствительность ограничена областью достаточно коротких длин волн: λ < 1,2 − 1,3 мкм.

Использование структур с резкими гетеропереходами или же кристаллов с переменной шириной запрещенной зоны – плавных гетеропереходов – открыло возможность создания твердотельных преобразователей ИК излучения в видимое.

На рисунке 46 представлена зонная энергетическая диаграмма плавного изотипного n-N перехода в равновесии (46а) и с приложенным внешним электрическим полем напряженности ε (46б). При освещении такого перехода со стороны узкозонной части ИК излучением с энергией фотона hν1 генерируются электронно-дырочные пары. Под действием внешнего поля неосновные неравновесные носители заряда (дырки) «протягиваются» в широкозонную часть, где рекомбинируют, излучая кванты видимого света hν2 (ν2 > ν1). Эффективность подоюных преобразователей невелика, так как в соответствии с принципом работы в них отсутствует механизм усиления света.

Значительно более эффективным преобразователем света является четырехслойная N-P1- n0-P2 – гетероструктура, работающая в режиме фототиристора, зонная диаграмма которой представлена на рисунке 47. Она включает в себя широкозонную часть N, легированную донорной примесью, две широкозонных части, легированных акцепторными примесями, и высокоомную слабо легированную полуизолирующую область n0. При отсутствии смещения энергетическая диаграмма имеет вид 47а. При подаче положительного смещения V (плюсом к Р2 – области) крайние N-P1 и n0-P2 – переходы оказываются включенными в пропускном направлении, а средний – Р1-n0 – в запорном направлении (рис.47б). Ток через этот переход переносится неосновными носителями, накопление которых в области n0 частично компенсирует отрицательное смещение на P1-n0 переходе. Освещение базовой n0 – области ИК излучением (сбоку или через широкозонные эмиттеры) с энергией квантов hν1 вызывает образование неравновесных электронно-дырочных пар в этой области, что приводит к дальнейшему накоплению носителей. В результате средний переход «заливается» инжектированными носителями заряда и переходит из непроводящего состояния в проводящее (рис. 47в). Это приводит к резкому возрастанию концентрации неосновных носителей (электронов) в широкозонной Р1 области, рекомбинация которых с основными носителями (дырками) происходит с излучением фотонов с энергией hν2 в видимой области спектра.

При использовании в качестве широкозонных слоев AlxGa1-xAs, а узкозонной – SiGaAs длинноволновая граница преобразования составляет 1,65 мкм. Огромную ценность таким приборам придает наличие

значительных коэффициентов усиления (102 - 103) при преобразовании. Пороговая чувствительность превышает 10 –8 Вт.

Легирование полуизолирующего слоя GaAs другими примесями (например, железом) позволяет продвинуться значительно дальше в ИК область, вплоть до 3,5 – 4,0 мкм.

5.6.Полупроводниковые лазеры.

Влазерах – приборах для генерации монохроматического узкополосного направленного электромагнитного излучения - используется явление вынужденного испускания, при котором происходит усиление света. В отличие от самопроизвольного, спонтанного, излучения, которое наблюдается в обычных, близких к тепловому равновесию условиях, вынужденное излучение состоит в

переходе электрона с верхнего энергетического уровня ЕВ на свободный нижний уровень ЕН под действием световой волны с частотой ν = (EВ – EН)/h. При этом происходит излучение еще одного фотона с той же частотой и в том же направлении, в котором распространялся падающий фотон.

Если система первоначально находится на нижнем уровне ЕН, то происходит поглощение фотона частоты ν. В условиях теплового равновесия заселенность нижнего энергетического состояния всегда выше, чем верхнего, и такими системами свет поглощается. Для усиления света необходимо создать условия, при которых заселенность верхних уровней превышает заселенность нижних, т.е. создать инверсную заселенность. Среда, в которой достигнута инверсная заселенность, называется активной.

Влазерах световая волна многократно проходит через среду, отражаясь от полупрозрачных зеркал. Если световая волна теряет при отражении меньше энергии, чем приобретает при прохождении через активную область, то ее интенсивность будет непрерывно возрастать. Происходит лавинообразное увеличение интенсивности света, т.е. возникает генерация. Так как при каждом отражении часть света проходит через зеркало, то растет и интенсивность света, выходящего наружу.

Вполупроводниковых лазерах индуцированное излучение возникает при излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар. Наиболее широкое применение получили инжекционные лазеры на арсениде галлия (GaAs), а также InAs, InP, в которых инверсная заселенность достигается инжекцией неосновных носителей через р-n – переход между двумя вырожденными областями полупроводника.

Рассмотрим вначале лазер на гомопереходах, т.е. случай, когда ширины запрещенных зон в контактирующих полупроводниках одинаковы. Для достижения инверсной заселенности необходимо, чтобы разность энергиями Ферми была больше энергии кванта генерируемого излучения. Поэтому в лазере на основе обычного p-n –перехода необходимо использовать «вырожденный» переход, когда степень легирования р- и n- частей перехода настолько велика, что уровень Ферми находится в разрешенных зонах.

На рисунке 50а представлен р-n –переход между вырожденными областями полупроводника в равновесии. Уровень Ферми в р-области (µ ) расположен ниже вершины верхней валентной зоны, а в n-области µ выше дна зоны проводимости ЕС . Это означает, что все состояния ниже уровней Ферми в р- и n- областях заняты электронами, а выше уровня Ферми – свободны (заполнены дырками).

Если к такому р-n- переходу приложить прямое смещение V, резко снижающее потенциальный барьер, то в нем появится область А с инверсным заселением зон: над практически свободными уровнями валентной зоны будут находиться полностью заполненные уровни зоны проводимости (рис.50 б). В этих условиях спонтанно возникшие кванты вследствие рекомбинации электронно-дырочных пар вызывают стимулированное излучение. Этот принцип и положен в основу работы гомопереходных полупроводниковых лазеров, схема устройства которых показана на рисунке 51. Кристалл с p-n – переходом имеет форму параллелепипеда или неправильной пирамиды, две противоположные грани которого делают строго параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости p-n – перехода. Они выполняют роль резонатора, через одну из граней которого выводится когерентное излучение.

Для возникновения генерации необходимо создание такой инверсной заселенности, при которой усиление света в активной области перекрывало бы все его потери, связанные с прохождением через диод и малым отражением от его зеркальных граней. Ток Jпор, при котором выполняется это условие, называется пороговым. При J < Jпор лазер работает как обычный светодиод, испуская спонтанное излучение с равномерной плотностью во всех направлениях. Значительные внутренние потери связаны с прохождением света через пассивные области диода и его поглощением в активной области на свободных носителях и дефектах. В результате из светодиода выходит только около 2% излучения, возникающего в нем в результате излучательной рекомбинации.

Благодаря большим потерям требуется значительный коэффициент усиления для их компенсации и достижения генерации, т.е. высокая

пороговая плотность тока (Jпор.= 3 - 5 104 А/см2 ), что приводит к сильному разогреву диода. С увеличением температуры Jпор еще более

возрастает вследствие размытия распределения носителей по энергиям на величину порядка кТ. В результате сильного разогрева прибора его долговечность оказалась низкой: через несколько часов работы начиналась деградация рабочих параметров. Сильная температурная зависимость параметров гомопереходных лазеров привела к необходимости применять громоздкие системы охлаждения и использовать питание короткими импульсами.

Применение структур с гетеропереходами качественно меняет положение. Основная идея состоит в том, что благодаря гетеропереходным барьерам инжектированные носители удерживаются в активной области, так что инверсная заселенность достигается легче и усиление лазера больше. Осуществление таких лазеров оказалось особенно эффективным при использовании двойных гетероструктур (ДГС) типа P-i-N, где средним активным слоем, i, служит материал с меньшей шириной запрещенной зоны и большей диэлектрической постоянной, а эмиттерами - P и N – материалы с большей шириной запрещенной зоны и меньшей диэлектрической постоянной.

Энергетическая зонная диаграмма инжекционного гетеролазера в тепловом равновесии (а) и с приложенным в пропускном направлении напряжением (б) представлена на рисунке 50. При наложении внешнего напряжения V ((+) к Р –обрасти, ( - ) к N – области) высота барьеров ∆EC1 для электронов и ∆EV2 для дырок уменьшается, и электроны инжектируются в средний i – слой из N – области, а дырки – из Р – области. В то же время, достаточно высокие барьеры ∆EC2 и ∆EV1 удерживают инжектированные носители в среднем слое толщиной d.Области излучательной рекомбинации и инверсии населенности таким образом полностью совпадают, так как сосредоточены в среднем слое и для достижения инверсии не требуется высокого уровня легирования и тем более вырождения. Благодаря потенциальным барьерам на границах гетеропереходов отсутствуют рекомбинационные потери в пассивных областях (эмиттерах), а вследствие заметной разницы в диэлектрических постоянных средний слой играет роль высококачественного волновода, и потери светового излучения в пассивных областях пренебрежимо малы. В результате удается значительно снизить пороговую плотность тока до 500 А/см 2 при полном КПД, равном 25%, и обеспечить осуществление непрерывного режима работы лазера при комнатной температуре, что