ОУвРТ.Мальцев / Лекции взятые из интернета и сделаные студентами / 12Лекция №12 Павлов

Лекция 12

Светодиоды

Это полупроводниковый диод, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминисценции избыточных носителей заряда, инжектируемую в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны два механизма интегральной рекомбинации: межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок (рис.1); рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках (рис.2).

Рис.1

Е_д

∆Е_экст

υ-зона

с-зона

Прямые переходы (рис.1) происходят без изменения импульса электрона. Типичными прямозонными полупроводниками является арсенид галлия GaAs, InAs, InSb, GaSb и др.

В непрямозонных полупроводниках вероятность излучения при рекомбинации очень низкая и может возрасти при образовании в них электрически нейтральных экситонных ловушек. Например, в GaP такие ловушки образуются путем легирования кристалла азотом, при этом азот замещает фосфор, энергетическая структура этих центров такова, что они эффективно притягивают электроны и дырки с образованием электронов. Энергия данного квантового перехода отличается от ширины запрещенной зоны Е_д на энергию связи электрона (рис.2).

Уменьшение интенсивности излучения при повышении частоты возбуждающего сигнала, возникновение релаксаций свечения при работе светодиода в режиме переключения связаны с инерционностью процессов возникновения и гашения рекомбинированной люминисценции.

Диаграмма напряженности излучения светодиода значительно шире, чем у лазера, что обусловлено хаотичностью направлений распространения отдельных генерируемых фотонов.

По спектральному диапазону и основному функкциональному назначению различают:

- видимого диапазона спектра, предназначенные для устройств визуального отображения информации ( основная характеристика: сила света I_б);

- полупроводниковые ИК-излучатели, предназначенные для работы с физическими приемниками (в основном с ВОЛС), в оптопарах оптических ЗУ (основная характеристика: мощность излучения Р_изл).

Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых контактируют (внутри единого монокристалла) полупроводники с различными значениями ширины запрещенной зоны (рис.3).

1 Разные высоты потенциальных барьеров для встречных потоков электронов и дырок при прямом смещении приводят к строго односторонней инжекции носителей заряда из широкозонного эмиттера (уровень Е_д2) в ускозонную базу (уровень Е_д1).

2 Оптические свойства эмиттерной и базовой зон гетероструктуры различны и могут в широких пределах изменяться независимо друг от друга. Отсюда следует, что эмиттерная зона представляет собой «окно» для более длинноволнового излучения, генерируемого(или поглощаемого) узкозонной базой. Кроме того, различие в значениях Е_д1 и Е_д2 ведет и к роазличию показателей преломления n, что порождает волноводный эффект, то есть концентрацию оптической энергии в слое с большим n при распростронении излучения вдоль слоя.

Рис.3 – Зонная диаграмма гетероструктуры GaAlAs-GaAs

Гетероструктура может считаться практически идеальной, если , где ∆а – разность постоянных решетки по разные стороны гетерограниц; l_б – толщина базовой области между двумя гетерограницами. При этом всегда должно быть ∆а/а<10^-2,даже при очень толстой базе.

Проблема состоит в выборе полупроводников подходящего состава, нахождение способа их эпитаксиального выращивания друг на друге. Универсальным и поэтому основным методом получения гетероструктур является жидкофазная эпитаксия, в процессе которой разогретая подложка заливается расплавом шихты, содержащей необходимые компоненты Ga, Al, In и т.д., а в реакционной камере реализуется определенный пространственный и временной закон изменения температуры. Через некоторое время шихту убирают, а на подложке остается эпитаксиальная пленка синтезируемого соединения. Повторяя процесс многократно с разной по составу шихтой, получают требуемую гетероструктуру.

Фотоприемники

Фотоприемники (ФП) являются обязательной и очень важной составной частью подавляющего большинства оптоэлектронных приборов, устройств, систем.

К ФП дискретных сигналов предъявляются следующие требования:

1. высокая чувствительность на заданной фиксированной длине волны;

2. высокое быстродействие, обязательное практически для всех устройств генерации, обработки, передачи, хранения информации. Время переключения фотоприемников составляет 10^-7…10^-10с. Для решения перспективных задач оптоэлектроники требуется время 10^-10…10^-13с.Режим высокочастотного переключения автоматически ведет к использованию достаточно низкоомных нгагрузок. Поэтому быстродействующие ФП должны использоваться вдали рт порога чувствительности. Из требований малой емкости вытекает и необходимость малой площади фоточувствительной поверхности.

Требования к ФП световых образов:

1) многоэлементность (пространственная разрешающая способность восприятия тем выше, чем больше число ячеек);

2) совместимость фоточувствительного растра с электрической схемой считыывания воспринятой информации;

3) широкий спектр, особенно в видимом диапазоне световых волн;

4) режим фотонного наполнения, т.к. смена воспринимаемых волн достаточно инерционна (время кадра 1/25с);

5) широкий рабочий динамический диапазон (восприятие как сильно ярких, так и едва бледных образов);

6) минимальный уровень шумов (при сохранении высокой фоточувствительности).

Лучшими среди ФП дискретного восприятия являются фотодиоды (особенно кремниевые с p-i-n структурой и лавинные). Лучшими среди многоэлементных – фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Кремниевые p-i-n фотодиоды

Основой принципа действия подавляющего большинства оптоэлектронных ФП являются фотоэлектронные процессы, обусловленные внутренним фотоэффектом он представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии светового излучения. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственых и примесных.

Собственные переходы сопровождаются увеличением концентрации и электронов и дырок. Математически условие начала возникновения собственной проводимости записывается следующим образом:

,где hν – энергия кванта излучения.

Это равенство определяет красную границу фотоэффекта:

,где λ_гр – в мкм; Е_д – в эВ.

Отмечено, что при очень больших энергиях квантов на генерацию пары носителей, в среднем растрачивается порция энергии 3Е_д.энергетически наиболее выгоден фотоэффект при hν ≈ Е_д, т.к. при преобразовании высокоэнергетических квантов (коротковолнового излучения: УФ, рентгеновское) значительная часть их энергии переходит в тепло.

Край спектра поглощения полупроводника λ_гр может смещаться в длинноволновую сторону при приложении электрического поля; это явление известно как эффект Калдыша-Франца. Ширина запрещенной зоны изменяется пропорционально квадрату напряженности электрического поля. При реально достижимых электрических полях удается сместить край поглощения на несколько сотых долей эВ, что по абсолютной величине мало, но приводит к изменению коэффициента поглощения на 3 порядка.

Эффект Келдыша-Франца используется для создания высокоскоростных модуляторов света.

Примесное поглощение (фотопроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары. Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощения квантов: для очень малых акцепторных и донорных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше Е_д . В этом плане примесная фотопроводимость намного эффективнее собственной прт создании ФП ИК-диапазона, включая субмиллиметровый и радиодиапазон. Второе отличие: примесное поглощение ведет к генерации лишь одного типа носителей – электронов или дырок. Третье отличие: эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного. Отсюда следует, что реализации поглощения на примесях необходимоиспользовать полупроводники большой толщины, а это ведет всегда к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов. Таким образом, примесное поглощение используют лишь лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с собственным поглощением в той же области спектра.

Рассмотрим конструкцию и принципы действия p-i-n фотодиода.

Рисунок 4

Активная структура фотодиода представляет собой монокристалл полупроводника, содержащий собственно переход, контакт и барьер, в области которого имеется скачок потенциала, область i(ν) очень слабо легированная n-область и является базой ФП.

Область р- i(ν) создает упомянутый скачек потенциала, а i(ν)-n переход представляет собой тыловой омический контакт. Полярность приложенного к электродам напряжения соответствует обратному включению обычного диода.

Падающее на прозрачное окно фотодиода излучение с незначительными потерями достигает i-базы, в которой и поглощается с одновременной генерацией носителей заряда.

Роль р- i(ν) перехода, удерживающего дырки в р⁺ области, а электроны в i-области, состоит в разделении генерированных электронов и дырок, что влечет за собой изменение разности потенциалов между р и i областями, т.е. имеет место фотовольтаический эффект.

Рисунок 5

Во внешней электрической цепи это проявляется двояко: при малых приложенных напряжениях (Uфд≈0) фотодиод сам генерирует некоторую ЭДС; при значительных внешних смещениях перемещение фотоносителей ведет к появлению фототока I_ф, который добавляется к темповому току I_Т, протекающему через p-i-n структуру без воздействия излучения.

I квадрант – протекание тока, равного I_Ф+I_Т ≈ I_Ф (фотодиодный режим).

II квадрант – фотодиод выступает как источник напряжения (фотовентильный режим).

III квадрант – вычитание I_Ф из прямого тока диода I_пр, замерное лишь при малых значения I_пр.

В оптоэлектронике применяется фотодиодный режим работы, т.к. именно при этом достигается высокое быстродействие.

Фотовентильный режим используется крайне редко (в основном для солнечных фотопреобразователей).

Система параметров и характеристик p-i-n фотодиода

Система параметров характеризует фотодиод как и приемник оптических сигналов и как элемент электрической цепи:

1) монохроматическая чувствительность S_Ф, А/Вт

S_Ф=I_Ф/Р_ИЗЛ(λ)

I_Ф – фототок, Р_ИЗЛ(λ) – полная мощность излучения с длиной волны λ, падающей на чувствительную площадку фотодиода.

2) Темповой ток I_T.

3) Максимально допустимое обратное напряжение.

4) Время нарастания (спада) t_нр(сп) фотона; обычно t_нр(сп) = 2,2 τ_рел , где τ_рел – постоянная времени релаксации фотоотклика.

5) Граничная частота f_гр.

6) Емкость фотодиода С_фд. Этот параметр определяет инерционность прибора.

7) Площадь фоточувствительной площадки, А

_{Иногда от фотодиода требуется высокая чувствительность, тогда необходим учет шумов. Вводятся понятия «}обнаружительная способность»

I_Ш – среднеквадратичное значение шумового тока; ∆f – рабочая полоса частот ФП. Известно, что составляющие мощности шумов, которые физически не устранимы, пропорциональны полосе частот ∆f, т.е. Р_ш ~ I_ш ~ ∆f.

Обнаружительная способность D^* равна величине, обратной пороговой мощности ФП при фоточувствительной площадке 1 см² и работе устройства в полосе 1 Гц.

Фундаментальный, принципиально неустранимый ни при какой рабочей температуре квантовый предел задается фотонным шумом. Статистика фотонов в потоке подчиняется распределению Пуассона, для которого среднеквадратическое отклонеие шумовой мощности определяется потоком в 1 фотон/с:

Например, λ=0,5 мкм, ∆f=1 Гц, тогда Р_{экв.лин} ≈ 4×10^-19 Вт. Именно такую мощность на λ=0,5 мкм может «почувствовать» идеальный фотодиод при гетеродинном приеме.

Кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД)

ЛФД представляет собой ФП, предназначенный для использования в режиме лавинного умножения фототока. Практически на ЛФД подают обратное напряжение, близкое к напряжению лавинного пробоя. Генерируемые на базе фотоносители, диффундируя или дрейфуя, достигают области сильного поля, в которой происходит их лавинное размножение, т.е. в ЛФД имеется «внутреннее» усиление, а поскольку лавина развивается достаточно быстро, это усиление не сопровождается снижением быстродействия, что например, типично для фототранзистора.

Почему применяют ЛФД? Дело в том, что шумы входных каскадов усилителей фотосигналов обычно на несколько порядков превосходят шумы самого качественного p-i-n фотодиода. Поэтому, даже при оптимальной схеме сопряжения реализовать все потенциальные возможности p-i-n фотодиода не удается. Другими словами ЛФД имеет преимущество перед p-i-n фотодиодами в условиях приема слабых, минимально различимых сигналов.

Для кремниевого ЛФД оптимальной является n-p-i-pструктура. Эта структура представляет гибрид перекрывающихся между собой p-i-n фотодиода и лавинного n-p диода.

Рисунок 6

При рабочих напряжениях область пространственного заряда распространяется на всю p-i-базу, при этом в широкой i-области напряженность электрического поля почти постоянна и не очень велика, а в узкой р-области резко изменяется и в максимуме достигает значений, достаточных для возникновения и поддержания лавинного размножения.

При воздействии типичного для оптоэлектроники ближнего ИК-излучения основная доля квантов поглощается в i-области, образующиеся фотоносители быстро из нее вытягиваются.

Помимо перечисленных параметров p-i-n фотодиода ЛФД характеризуются:

1) коэффициентом усиления (умножения) М;

2) квантовой эффективностью ħ (фактически ħ = ŋQ, где Q – коэффициент собирания носителей, находимый из условия S_Ф=0,8 Qλ; ŋ – квантовый выход фотоэффекта);

3) S_ЛФД = 0,8 λ ħ М.

Для ЛФД вентильный режим не может быть реализован.

Рисунок 7

Коэффициент умножения М сложным образом зависит от приложенного напряжения U. На участке I область пространственного заряда локализуется только в р-слое, поэтому прибор ведет себя подобно обычному лавинному диоду. Граница этого участка определяется напряжением прокола р - слоя. Область II является переходной (характеризуется началом прокола р – слоя до полного истощения i – слоя). На этом участке зависимость М(U) слабая, сказывается буферная роль протяженной i – области. В этом режиме обеспечивается и полное собирание носителей, генерируемых в i – области, т.е. максимальный квантовый выход. На участке III начинается лавинное размножение носителей и в i – области, зависимость М(U) становится резко выраженной, а стабильность параметров ЛФД ухудшается.

Диапазон рабочих напряжений типичных ЛФД 100…400В.

Достоинства и недостатки

Сопоставление ЛФД с p-i-n фотодиодом показывает, что для ЛФД характерен ряд существенных недостатков:

- сложность изготовления и технологии, отсюда высокая стоимость;

- высокие рабочие напряжения (сотни вольт), значительная бесполезно расходуемая мощность; работа лишь в режиме усиления малых сигналов и, как следствие, непригодность для интегральной технологии;

- необходимость жесткой стабилизации рабочего напряжения и температуры, затрудняющая широкое использование этих приборов;

- отсутствие конструкций матричного типа на основе ЛФД, что делает ЛФД непригодным для использования в многоканальных устройствах обработки информации.

Достоинства ЛФД: уникальное сочетание большого усиления и высокого быстродействия с приемлемым уровнем шумом обусловливает внеконкурентность ЛФД в таком важнейшем направлении оптоэлектроники, как ВОЛС.