Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Приборы квантовой и оптической электроники светоизлучающие и лазерные структуры. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 102 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

2. ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СОВРЕМЕННОЙ ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

К приборам излучательной оптоэлектроники относятся источники света, которые преобразуют электрический сигнал в оптический.

В оптоэлектронике используются различные активные источники света: светодиоды и оптические квантовые генераторы (лазеры), катодолюминесцентные индикаторы, миниатюрные накальные и газоразрядные лампы, электролюминесцентные излучатели (излучатели на основе электролюминофоров). Но основными элементами излучательной оптоэлектроники являются светодиоды на гомо- и гетеропереходах – источники некогерентного света и лазеры – источники когерентного света, среди которых в настоящее время все большее применение находят полупроводниковые лазеры. Остальные источники излучения чаще всего применяются в качестве индикаторных приборов.

К некогерентным активным источникам излучения предъявляются следующие требования: заданный спектральный диапазон оптического излучения, миниатюрность, легкость управления интенсивностью излучения и простота его возбуждения, требуемая яркость излучения, высокий КПД, стабильность и долговечность, небольшая инерционность, стойкость к внешним климатическим и механическим воздействиям, хорошая технологичность и малый разброс параметров в партии приборов, способность совмещения с более сложными схемами, включающими и фотоприемники, и интегральными схемами.

Для когерентных источников света добавляются высокая степень когерентности (временной и пространственной), высокая степень направленности и поляризации излучения, стабильность характеристик излучения и одномодовый режим.

Большой интерес к полупроводниковым источникам оптического излучения связан с их оптимальной совокупностью свойств и универсальностью технических характеристик . Все это обеспечивает их широкую применимость в различных устройствах современной электроники.

Принцип действия полупроводниковых источников света основан на явлении излучательной рекомбинации – спонтанной

или лазерной люминесценции за счет преобразования электрической энергии.

Люминесценция полупроводников – явление испускания оптической энергии полупроводником, находящимся в возбужденном состоянии, или испускание оптического излучения в результате рекомбинации избыточных электронов и дырок. То есть для возникновения оптического излучения необходимым является образование в полупроводнике избыточных, по сравнению с равновесным, носителей заряда.

По методам возбуждения полупроводника различают четыре вида люминесценции: фотолюминесценция (ФЛ), электролюминесценция (ЭЛ), катодолюминесценция (КЛ) и стриммерная люминесценция (СЛ).

Фотолюминесценция – люминесценция, возникающая при условии воздействия на полупроводник оптическим излучением. При этом энергия фотона (hn) должна быть больше ширины запрещенной зоны (DEg) полупроводника, на который воздействует излучение.

Электролюминесценция – люминесценция, возникающая в результате воздействия на полупроводник высоким электрическим полем или в результате инжекции (внедрения) в полупроводниковую область неосновных носителей заряда в структурах с гомо- или гетеропереходом, в структуре металл–изолятор–полупроводник, в контакте металл–полупроводник.

Катодолюминесценция – люминесценция, возникающая в результате воздействия на полупроводник пучком высокоэнергетических электронов.

Стриммерная люминесценция – люминесценция, возникающая при воздействии стриммерным разрядом (неполным электрическим пробоем).

Наиболее универсальным способом возбуждения лазеров является оптическая накачка, но при этом пороговые плотности мощности оптического излучения накачки составляют достаточ-

но большие значения (порядка 10

Вт/см2). Внешний квантовый выход и коэффициент полезного действия таких структур малы. Поэтому этот вид накачки используется в основном для научных исследований.

Электрическое возбуждение является в настоящее время наи-

более удобным методом возбуждения, так как при таком мето-

де возбуждения происходит непосредственное преобразование электрической энергии в световую. Такой вид возбуждения позволяет достаточно просто производить модуляцию и получать высокий КПД. Поэтому именно электролюминесценция чаще всего используется в полупроводниковых источниках света.

Для некоторых полупроводников в настоящее время нет возможности изготовления контактов или pn-переходов достаточно хорошего качества для получения светоизлучающих структур. В этих случаях возбуждение полупроводника может осуществляться пучком ускоренных электронов. Коэффициент полезного действия лазеров с электронно-лучевой накачкой часто достигает 30 %.

При стриммерном возбуждении в полупроводниковой структуре образуется активная среда с концентрацией неравновесных носителей заряда 1019…1020 см–3 в области размером несколько тысяч нанометров, которая движется со скоростью 108…4⋅109 м/c. Причем длина разрядного трека может достигать нескольких сантиметров. Стриммерный разряд является новым способом накачки лазеров. В настоящее время получены стриммерные лазеры пикосекундной длительности в диапазоне 330…870 нм.

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

( )

сп

dN dt AN= −

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

ИЗЛУЧЕНИЯ

3.1. Спонтанное и вынужденное излучение. Поглощение излучения

Спонтанное и индуцированное излучение возникает в квантовых системах с дискретными уровнями энергии. Для рассмотрения условий возникновения спонтанного излучения на рис. 3.1, а представлена схема на примере квантовой системы с двумя уровнями энергий Е нях в единицах объема N системы не вырождены, величины N стями энергетических уровней 1 и 2.

и Е2 (Е2 > Е1). Число частиц на уров-

и N2 соответственно. Если квантовые

и N2 называют населенно-

Рис. 3.1. Схематическое представления условий образования

спонтанного (а) и вынужденного (б) излучения и поглощения (в)

Если в определенный момент времени t на верхнем уровне 2 находятся N2 частиц, скорость перехода (dN2/dt) этих частиц с уровня 2 на 1 в при спонтанном излучения будет пропорциональна N2. Исходя из этого, можно записать, что

Коэффициент пропорциональности А в уравнении (3.1) называют коэффициентом Эйнштейна, который описывает вероятность спонтанного излучения. Величина t ется как 1/А, называется спонтанным временем жизни частицы на верхнем уровне. Величины А и tсп зависят от свойств определенного перехода, в котором формируется излучение. Спон-

. (3.1)

, которая определя-

сп

танное излучение появляется в результате самопроизвольного перехода частицы с верхнего уровня 2 на нижний 1. Перехода с нижнего уровня на верхний самопроизвольно не бывает. Заселение верхнего уровня Е

осуществляется в результате вынужден-

ных (индуцированных) переходов, происходящих при поглощении квантов (рис. 3.1, в).

При спонтанном переходе частиц с верхнего уровня 2 на нижний уровень 1 отдельные частицы излучают независимо и неодновременно. В результате фазы отдельных электромагнитных волн, излученных при таких переходах, не связаны между собой. В результате направление движения и поляризации волн также являются случайными, частота n может варьироваться в некоторых пределах, которые связаны соотношением неопределенности. В результате спонтанное излучение не монохроматично, не направлено и не поляризовано.

В процессе индуцированных переходов система может переходить из одного энергетического состояния в другое как излучением электромагнитных волн (переход сверху, рис. 3.1, б), так и с поглощением кванта электромагнитного излучения (переход с нижнего уровня на верхний, рис. 3.1, в).

Предположим, что на систему, состоящую из двух уровней, падает квант электромагнитного излучения с энергией hn = E

– E1 (рис. 3.1, а), которая соответствует частоте волны,

образованной при спонтанном излучении. В этом случае есть определенная вероятность того, что падающее излучение стимулирует переход частицы с верхнего уровня на нижний, т.е. произойдет вынужденное испускание электромагнитной волны с частотой n.

При индуцированных переходах кванты излучения идентичны квантам излучения, вызвавшего эти переходы. То есть внешние кванты электромагнитного излучения и вновь образованные кванты, возникшие при переходах 2 → 1, имеют одинаковое направление распространения, частоту, поляризацию и фазу.

Излучение, возникающее под действием внешнего оптического излучения, носит название индуцированного излучения.

Важным свойством индуцированного излучения является то, что частота, поляризация и направление движения электромагнитных волн, как внешней так излученной вынужденным образом, совпадают. Полная идентичность индуцированного и

первичного излучений приводит к когерентности излучения и

( )

2 21 2

ин

dN dt W N= −

( )

21 21

WB= ρν

( )

1 12 1

ин

dN dt W N= −

( )

12 12

WB= ρν

генерации света в квантовых структурах.

Скорость индуцированного излучения описывается уравнени-

ем, аналогичным (3.1):

где W

– вероятность индуцированного перехода (2 → 1) в еди-

, (3.2)

ницу времени под действием внешнего электромагнитного излучения с частотой n.

Коэффициент W

зависит от конкретного перехода и интен-

сивности падающего электромагнитного излучения и имеет размерность, обратную времени. Для плоской волны вероятность индуцированных переходов W21 пропорциональна спектральной плотности энергии r(n) внешнего электромагнитного излучения:

где В

называется коэффициентом Эйнштейна для индуциро-

, (3.3)

ванного излучения и определяется характеристиками конкретного перехода (2 → 1).

Кроме излучения в системе частиц может происходить поглощение внешнего электромагнитного излучения. При таком процессе частица переходит с уровня 1 на уровень 2 (рис. 3.1, в). Таким образом создаются условия для излучения. Поэтому спектры излучения и поглощения взаимозависимы.

Если на полупроводник падает электромагнитная волна с частотой n = (Е

– Е1)/h, существует конечная вероятность перехода

частицы на уровень 2. Дополнительную энергию (Е2 – Е1) для обеспечения перехода (1 → 2) частица получает от падающей волны.

Вероятность поглощения W12 можно представить с помощью уравнения

где N

Для W

– населенность уровня 1 в определенный момент времени t.

, как и для W21, можно представить уравнение

, (3.4)

где В

, (3.5)

– коэффициент Эйнштейна для индуцированного погло-

щения.

Связь между коэффициентами Эйнштейна

21 21

WWA

( )

h kT

πν ν

ρν=

−

2 21 1 12

NW NW=

( ) ( )

2 21 1 12

N B A NB



ρν+ = ρν



−

Пусть электромагнитное излучение с энергией, равномерно

распределенной по спектру вблизи n = (E

– E1)/h, взаимодей-

ствует с набором частиц. r(n) – плотность энергии внешнего из-

лучения в единичном диапазоне частот, Дж/(см

⋅ Гц).

Полная вероятность перехода частиц с уровня 2 на уровень 1 равна сумме вероятностей спонтанного и индуцированного переходов:

′

= +

(3.6)

Общая вероятность перехода с уровня 1 на уровень 2 полкчается из выражения (3.5).

Коэффициенты A, B

и B21 не зависят от свойств излучения,

поэтому можно рассмотреть ситуацию, когда атомы и абсолютно черного тело (АЧТ) при температуре Т, находятся в тепловом равновесии. Спектральная плотность энергии равновесного излучения АЧТ согласно распределению Планка равна

, (3.7)

где n – показатель преломления.

При условии теплового равновесия за любой промежуток времени количества переходов вниз (2 → 1) и вверх (1 → 2) равны

Подставив (3.3) для W

и (3.5) для W

При условии теплового равновесия отношение N

. (3.8)

в (3.6), получим

. (3.9)

опреде-

2/N1

ляется распределением Больцмана:

и g2 являются статистическими весами уровней 1 и 2, ко-

где g

торые определяют степень их вырождения.

, (3.10)

Суммируя выражения (3.9) и (3.10), получаем

( )

1 12

21 2 21

B gB

−

 

ρν= −

 

( )

21 12 1 2

/B Bgg=

23 3

8Anc

= πν ν

( ) ( )

23 23

сп

Ac c

nh nh

= ρν= ρν

πν ν πν ντ

сп

πν ντ

инд

. (3.11)

Соотношение (3.11) выполняется при любых значениях тем-

пературы, если соблюдаются условия:

, (3.12)

. (3.13)

Уравнения (3.12) и (3.13) называются первым и вторым соот-

ношениями Эйнштейна.

Соотношение (3.12) свидетельствует о том, что индуцирован-

ные поглощения и излучения равновероятны.

В соответствии с уравнением (3.13) вероятность самопроизвольного спонтанного излучения прямопропорциональна коэффициенту Эйнштейна для индуцированного излучения.

Из соотношения (3.13) вероятность индуцированных переходов равна

. (3.14)

Сравнивая выражения (3.3) и (3.14) для индуцированного излучения, получаем коэффициент Эйнштейна

. (3.15)

Уравнение (3.14) определяет вероятность индуцированного перехода под действием излучения, имеющего однородную спектральную плотность энергии r(n). Обозначим через вероятность индуцированного перехода, вызванного монохроматическим излучением r(n). Установлено, что эта вероятность пропорциональна нормированной функции формы линии спонтанного излучения S(n) для перехода 2 → 1 (см. выражения (3.20) и (3.29), представленные далее). Когда ширина спектра излучения, падающего на полупроводник, будет больше шири-

ны линии перехода, вероятность

инд

( )

сп

/E∆≈ τ

переходит в W21. Эти ус-

ловия выполняются, если

= ν

представляется в виде

ρν

πν ντ

. (3.16)

( )

При теоретическом рассмотрении усиления и генерации лазерного излучения в полупроводниках будут использованы результаты, полученные выше.

Ширина спектральных линий

Диапазон частот n (или длин волн l), характеризующий спектральные линии в оптических спектрах квантовых систем, называют шириной спектральной линии. Переходу между уровнями энергии E

и E1, в результате которого возникает излучение,

соответствует определенный интервал частот Dn21 около частоты

n21 = (E2 – E1)/h, так как уровни энергии имеют конечную ши-

рину. Значение Dn21 описывает ширину спектральной линии или ее степень немонохроматичности данной. I(n) описывает связь интенсивности излучения или поглощения и частоты (максимум спектральной линии располагается при частоте перехода n21 или вблизи этой частоты). Ширина спектральной линии Dn21 – это разность частот, при которой интенсивность I(n) снижается вдвое по сранению с максимальной.

Величина, определяющая размытие уровня для дискретного уровня энергии (DЕ), зависит от среднего времени нахождения системы в данном состоянии – времени жизни на уровне t, и в соответствии с принципом неопределенности энергии и времени

Величина t зависит от спонтанного излучения и скоростей безызлучательных рекомбинационных процессов (величина t является средним временем, в течение которого система отдает свою избыточную энергию).

Спонтанные излучательные переходы с уровня Е

Е1 определяют так называемую естественную ширину спек-

тральной линии:

. (3.17)

на уровень

2A∆ν = π

E∆= τ

Eh∆

∆ν = =

πτ

( )

S∆νν=

ν − ν + ∆ν

2ν = ν ± ∆ν

02 01

11 1



∆ν = +



πτ τ



, (3.18)

где A – вероятность спонтанного излучательного перехода.

Величина Dn

становится заметной на высоких чатотах (A ~ n3)

и для хорошо рарешенных переходов (когда по сравнению с расстоянием между уровнями ширина уровня мала). Ниже будут рассмотрены механизмы процессов безызлучательных переходов в полупроводниковых структурах.

Общий принцип безызлучательных переходов заключается в обмене энергией между частицами в возбужденном состоянии и всей системой. Это приводит к состоянию термодинамического равновесия между ними. Форма спектральных линий может быть симметричной или асимметричной в зависимости от типа уширения.

С помощью квантовой электродинамики вычисляют спектральное распределение квантов спонтанного излучения, испускаемых с уровня шириной

Форма линии спонтанного излучения имеет лоренцеву форму с шириной спектральной линии Dnл:

. (3.19)

Лоренцева форма линии спонтанного излучения представляется с помощью выражения

(3.20)

и представляет собой кривую с максимумом на резонансной частоте n

при частотах

Для системы, включающей два уровня, при спонтанном распаде не только верхнего уровня энергии Е2, но нижнего, при условии, когда уровень Е1 не является основным, под Dnл понимают величину, зависящую от суммы скоростей распада этих уровней 1/t02 и 1/t01:

(рис. 3.2), спадающую до половины пиковой величины

. (3.21)

<<< < Предыдущая 12 / 102 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]