Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы квантовой и оптической электроники светоизлучающие и лазерные структуры. Курс лекций
.pdf
№ 3503
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра полупроводниковой электроники и физики
полупроводников
С.Ю. Юрчук
М.П. Коновалов
ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ
И ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ И ЛАЗЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ
Курс лекций
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2019
УДК 621.317.7:621.38
Ю83
Рецензент
д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин
Юрчук С.Ю.
Ю83 Приборы квантовой и оптической электроники : све-
тоизлучающие и лазерные структуры : курс лекций /
С.Ю. Юрчук, М.П. Коновалов. – М. : Изд. Дом НИТУ
«МИСиС», 2019. – 92 с.
ISBN 978-5-907226-44-9
Представлены основные физические принципы формирования
оптического излучения в полупроводниковых структурах, а также
условия его усиления и генерации. На основе представленных физических принципов показаны подходы к разработке и оптимизации
конструкции светодиодных и лазерных оптоэлектронных приборов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в
бакалавриате по направлению подготовки 11.03.04 «Электроника и
наноэлектроника».
ISBN 978-5-907226-44-9
УДК 621.317.7:621.38
С.Ю. Юрчук,
М.П.Коновалов, 2019
НИТУ «МИСиС», 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................... 5
1. Оптическое излучение. Основные понятия и параметры ....... 6
1.1. Энергетические характеристики излучения .................. 6
1.2. Фотометрические характеристики излучения ............... 8
2. Источники света, используемые в современной
оптоэлектронике .............................................................. 11
3. Физические принципы полупроводниковых источников
излучения ....................................................................... 14
3.1. Спонтанное и вынужденное излучение.
Поглощение излучения.................................................. 14
3.2. Механизмы излучательной рекомбинации ................. 22
3.3. Внутренний квантовый выход полупроводниковых
материалов .................................................................. 32
3.4. Оптическое усиление и условия генерации света ......... 34
4. Генерация лазерного излучения в полупроводниках .......... 43
4.1. Основные принципы генерации оптического
излучения .................................................................... 43
4.2. Возбуждение спонтанной и лазерной
люминесценции в полупроводниковых структурах ............ 48
5. Полупроводниковые источники некогерентного
излучения ....................................................................... 57
5.1. Основные физические параметры
полупроводниковых излучающих приборов ...................... 57
5.2. Общие физико-технологические принципы
конструирования светоизлучающих приборов .................. 61
5.3. Способы повышения эффективности
светоизлучающих приборов ............................................ 63
6. Полупроводниковые лазеры ........................................... 70
6.1. Принцип действия и коэффициент оптического
усиления лазеров на p-n-переходе .................................... 71
6.2. Порог генерации лазера ........................................... 74
6.3. Выходная мощность стационарной генерации
инжекционных лазеров ................................................. 77
3
6.4. Внешний дифференциальный квантовый выход
генерации (h
) .............................................................. 78
d
6.5. Устройство и спектр генерации инжекционных
лазеров ........................................................................ 81
6.6. Инжекционные гетеролазеры на односторонней
и двухсторонней гетероструктурах .................................. 85
Библиографический список ............................................... 91
4
ВВЕДЕНИЕ
Оптоэлектроника – область современной науки и техники, излучающаяся и применяющая процессы взаимодействия оптического излучения с различными материалами для приема, передачи, отображения информации, ее обработки и хранения.
Оптоэлектроника – актуальное направление современной
электроники, которое в настоящее время активно развивается.
Это вызвано уникальными свойствами оптоэлектронных приборов и устройств, применяемых в системах для генерации, передачи, преобразования, отображения и хранения информации.
Современные разработки и научные исследования в области
полупроводниковой оптоэлектроники направлены на разработку технологий изготовления светодиодов, лазеров, оптических
интегральных схем и т.д., позволяющих создавать быстродействующие ЭВМ и устройства автоматизации и управления.
В основу оптоэлектроники положены физические явления, для
которых оптические и электронные процессы взаимосвязаны.
Оптоэлектронный прибор – это прибор, действующий на основе
взаимодействия с электромагнитным излучением в оптических
областях (инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой), или
прибор, преобразующий электромагнитное излучение в электрический сигнал или, наоборот, электрическую энергию в энергию
оптического излучения (некогерентное или когерентное).
5
1. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ
1, 23 4
hν=
λ
ПОНЯТИЯ И ПАРАМЕТРЫ
Излучение, используемое в оптоэлектронике, включает диапазон электромагнитного спектра от сотых долей до тысяч микрометров и называется оптическим излучением (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Область электромагнитного излучения,
используемого в оптоэлектронике
Оптическому излучению соответствуют колебания с частотами 3⋅1016 …3⋅1011 Гц. Длина волны l (мкм) и частота n(Гц) связаны соотношением n = 3⋅1011/l (с = n⋅l), которое для более удобного
практического использования может быть преобразовано к виду
(эВ). (1.1)
Спектр оптического излучения состоит из нескольких диапазонов: ультрафиолетовое (УФ) излучение с длинами волн менее
0,38 мкм, видимое излучение, а также инфракрасное (ИК) излучение в диапазоне длин волн выше 0,72 мкм. Диапазон инфракрасных длин волн, в свою очередь, подразделяется на дальнюю,
среднюю и ближнюю ИК области.
Характеристики оптического излучения определяются энергетическими и фотометрическими величинами. Между всеми
фотометрическими и энергетическими величинами существует
строгая количественная связь.
1.1. Энергетические характеристики
излучения
Оптическое излучение включает поток квантов (фотонов) с
энергией hn, измеряемой в электронвольтах (1 эВ = 1,6⋅10
6
–19
Дж).
Передача энергии оптического излучения электромагнитными волнами называется лучистой энергией (W) и измеряется в джоулях.
Интенсивность оптического излучения называется потоком
Ф. Поток определяется как энергия, переносимая, излучаемая
или поглощаемая в единицу времени. Если за определенный
промежуток времени dt излучается (поглощается или переносится) оптическая энергия dW, то Ф = dW/dt. Если переносимая
энергия постоянна во времени, поток оптического излучения
представляется выражением Ф = W/t. Поток оптической энергии измеряется в Дж/с или в Вт.
Оптический поток излучения, падающий на единицу площади Р, представляет собой плотность светового потока P = dФ/dS.
Плотность светового потока или иначе освещенность измеряется
2
в Вт/м
.
Для анализа работы полупроводниковых фотоприемников
бывает необходимо знать количество фотонов N
, падающих на
ф
фотоприемники единичной площади в единицу времени. Число
фотонов Nф определяют из выражения Nф = P/hn.
Еще одна характеристика оптического излучения – это энергетическая сила оптического излучения I, которая представляет
собой интенсивность потока излучения в заданном направлении
в оласти, ограниченной единичным телесным углом. Интенсивность измеряется в Вт/стерадиан. Телесный угол в один стерадиан, образуется конусом с вершиной, расположенной в центре
сферы радиусом 1 м, а основанием является поверхность площадью 1м2 на этой сфере. Вся площадь поверхности шара равна
4pr2, поэтому точечный однородный источник света, излучающий поток 1 Вт в телесном угле 1 ср, будет испускать лучистый
поток 4p Вт или 12,57 Вт. Сила света I хорошо подходит для
того, чтобы охарактеризовать источники излучения точечных
размеров. Источник светового потока называется изотропным,
если I не зависит от направления. Если имеют дело с протяженным источником излучения, то говорят о силе излучения элемента поверхности.
Сила излучения, испускаемого с единичной поверхности
(или падающего на эту поверхность) в заданном направлении,
проецируемая на перпендикулярную заданному направлению
плоскость, называется энергетической яркостью и измеряктся
2
в Вт/(м
⋅ср):
7
cos
dI
BdS=
α
. (1.2)
Для того чтобы описать оптическое излучение в заданном
спектральном диапазоне, используется понятие спектральной
плотности величин. Спектральная плотность какой-либо величины представляет собой отношение этой величины, взятой в
интервале длин волн от l до l + dl, к ширине этого интервала dl.
1.2. Фотометрические характеристики
излучения
Наряду с энергетическими величинами, с помощью которых
описывают оптическое излучение, используют светотехнические величины. Соответствие между энергетическими и фотометрическими характеристиками лучистой энергии показано в
табл. 1.1.
Таблица 1.1
Энергетические и световые величины, соотношения между ними
и единицы
Энергетическая
характеристика
излучения
Энергия излучения
Поток излучения
Сила излучения
Энергетическая
яркость
Энергетическая
светимость
Энергетическая
освещенность
Обо-
значе-
ние
W Дж
Ф Вт
M Вт/м
Единица
измерения
I Вт/ср Сила света I
B Вт/(м
P Вт/м
2
Световая ха-
рактеристика
излучения
Световая
энергия
Световой по-
ток
⋅ср) Яркость B
2
Светимость M
2
Освещенность P
Обо-
значе-
ние
W
c
Ф
с
c
c
c
c
Единица
измере-
Сила света источника оптического излучения – это плотность
светового потока Фс. За эталон единицы силы света принимают
излучение абсолютно черного тела при температуре отвердевания платины (2042 К). Сила света, образованного таким источ-
8
ния
лм⋅с
лм
кд
кд/м
лм/м
Лм/м
2
2
2
ником в направлении перпендикуляра к его поверхности с пло-
2
щадью в 1/60 см
, равна одной канделе.
Поток энергии света в единицу времени называется световым
потоком (dФс = Ic·dW). За единицу светового потока принимается
люмен (лм), представляющий собой световой поток от точечного
источника силой 1 кд в области телесного угла 1 стерадиан. Для
фотометрических и энергетических характеристик связь устанавливается через функцию видности. Характеристика чувствительности человеческого глаза обладает максимальным значением на длине волны 555 нм. Мощность излучения величиной 1 Вт
на этой длине волны равна световому потоку величиной 680 лм
(рис. 1.1).
Световая энергия – это просто энергия света W
= Фсt.
c
Освещенность – это плотность светового потока, падающая на
единичную поверхность (Рc = dФс/dS). Световой поток величиной 1 лм, распределенный на площади 1 м2, обеспечивает освещенность 1 люкс.
Светность (светимость) источника оптического излучения
= Фс/dS – световой поток, исходящий с поверхности единич-
M
c
ной площади. Она измеряется в люксах (лм/м
2
).
Яркость – это сила света, излучаемого с единичной поверхности (или достигающего этой поверхности) в определенном направлении. При этом площадь этой поверхности определяется
проекцией на плоскость, нормальной к направлению, в котором
излучается свет (эта величина соответствует энергетической яркости) (Bc = dIс/dS). Измеряются в лм/(ср⋅м2).
Чтобы преобразовать величину радиометрической мощности
в фотометрические единицы, используют характеристику чувствительности человеческого глаза (рис. 1.2). Для потока светового потока Ф (лм) и излучения мощностью Р (Вт) с заданной
длиной волны в видимой области спектра связь определяется зависимостью
Ф
л
где K
(лм/Вт) – коэффициент световой эффективности, завися-
l
щий от длины волны. Отношение Kl/K
= , (1.3)
P
K
λ
= Vl является от-
макс
носительным коэффициента световой эффективности.
9
Рис. 1.2. Спектральная характеристика чувствительности
380
= ⋅ ⋅λ
человеческого глаза
Чтобы пересчитать интегральный поток излучения, перемножают мощность на каждой длине волны на относительный
коэффициент спектральной световой эффективности, а затем
суммируют все результаты. Интегральный световой поток (Ф)
будет равен максимальному значению коэффициента световой
эффективности (K
= 680 лм/Вт), умноженному на интеграл
макс
произведения относительной спектральной эффективности (Vl)
и на спектральную характеристику источника излучения (S
l
) в
диапазоне волн от 380 до 750 нм:
750
Ф K V Sd
макс
∫
λλ
. (1.4)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]