6.2. Источники излучения

Для генерации оптического излучения используются два метода: либо тепловое излучение нагретых до высокой температуры (более 2 000 К) тел, либо одна из разновидностей люминесценции. Подлюминесценциейобычно понимают электромагнитное излучение, превышающее тепловое излучение при той же температуре, которое сохраняется в течение некоторого времени после окончания возбуждения.

Приборы, основанные на превращении тепловой энергии в энергию излучения (например, миниатюрные лампочки накаливания), имеют очень широкий спектр, полное отсутствие направленности излучения, низкий КПД, высокую инерционность, низкую устойчивость к механическим воздействиям и небольшой срок службы. Кроме того, они не совместимы с интегральной технологией, поэтому применяются в оптоэлектронике ограниченно.

Для возникновения люминесценции в каком-либо теле необходимо привести его с помощью внешних источников энергии в возбужденное состояние, т.е. в состояние, при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Если источником внешней энергии является электрический ток или электрическое поле, то наблюдается электролюминесценция. При возбуждении тела быстрыми электронами (или другими частицами, в том числе фотонами) возникаеткатодолюминесценция. Если источником внешней энергии является свет, появляетсяфотолюминесценция.

Для люминесценции характерно понятие послесвечения, т.е. излучения после того, как действие возбуждающего фактора прекратилось. Это обусловлено тем, что процесс излучения отделен по времени от процесса поглощения квантов возбуждения. В итоге излучение при люминесценции является некогерентным и имеет достаточно широкий спектр.

Влюминесцирующем веществе за счет энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных уровней валентной зоныW₁переходит на уровни с большей энергиейW₃ в зоне проводимости, образуя в валентной зоне вакантные места (дырки). Такое состояние не является устойчивым, и поэтому наблюдается непрерывный обратный переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. Этот процесс в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры (ловушки). Энергетический уровень электрона, захваченного атомом примеси, расположен вблизи середины запрещенной зоны, поэтому этот уровень является как бы промежуточной ступенькой для электрона. Сначала электрон с энергиейW₃переходит на уровеньW₂(рис. 6.1). Приэтом выделяется энергия, определяемая разностью энергий между уровнями, причем эта энергия передается атомам решетки в виде тепла и никакого светового излучения не происходит. При возвращении электронов с уровня W₂ на уровень W₁ происходит испускание фотона с частотой, определяемой соотношением:

, (6.2)

где h– постоянная Планка.

Таким образом, частота колебаний определяется свойствами основного вещества (ширина запрещенной зоны) и свойствами примеси (энергетический уровень ловушки). Следовательно, цвет свечения зависит от материала примесей. Так например, примесные центры из ZnO обеспечивают получение красного свечения, из азота N – зеленого, из ZnO и N – желтого и оранжевого и т.д. Для получения инфракрасного (ИК) и красного свечения требуется малая разность энергий, что легко достигается. Чтобы получить синее свечение (это требуется для создания полноцветных УВОИ), необходим материал с большой шириной запрещенной зоны и высоким энергетическим уровнем W₂. Эта задача в настоящее время не решена полностью, поэтому отсутствуют светодиоды с чисто синим цветом свечения и достаточной излучающей способностью.

Если переход электронов с возбужденного уровня на равновесный происходит спонтанно, т.е. произвольно для каждого атома, то источник генерирует естественное излучение. Однако при воздействии на возбужденные атомы световой волны с частотой, соответствующей резонансной частоте перехода , может возникнуть такой процесс, при котором все возбужденные атомы практически одновременно испускают фотоны. В этом случае излучение всех атомов согласовано по частоте, фазе и направлению поляризации. Источник такого излучения будеткогерентным.

В оптоэлектронике наибольшее применение находят электролюминесцентные конденсаторы, в которых под действием сильного электрического поля светится люминофор (соединения цинка и кадмия с серой и селеном) иинжекционные светодиоды. Явление инжекционной электролюминесценции впервые наблюдалось в диоде советским инженером О.В. Лосевым в 1923 г.

Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т.е. генерации оптического излучения в p-n-переходе, находящемся под прямым внешним напряжением (см. рис. 2.7). Обычно для изготовления светодиодов используются несимметричныеp-n-переходы, и излучающей является область только по одну сторонуp-n-перехода, поэтому для увеличения количества инжектированных носителей вp-область вводится меньше акцепторной примеси, чем вn-область донорной. За счет этого в излучающей структуре инжекция протекает практически только в одну сторону.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p-n-переходом. Если учесть, что КПД светодиода (квантовый выход), т.е. отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных носителей зарядов, инжектированных через переход, в лучшем случае не превышает 30%, то для получения приемлемого значения яркости необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через переход (не менее 30 А/см²). При обычно используемых размерах это приводит к необходимости пропускать через диод ток порядка 5-100 мА, что требует значительных затрат мощности на питание диода.

Устройство простейшего светодиода показано на рис. 6.2,а, а его УГО– на рис. 6.2,б. Для повышения светоотдачи слойp-делается тонким, чтобы не препятствовать про­хождению света, из­лучаемогоp-n-пере­ходом. После изго­товления светодиод помещается в корпус, который рассчитан на максимальное пропускание света. Многие светодиоды содержат линзы, собирающие свет и увеличивающие его интенсивность.

Значительно улучшить параметры светодиодов позволяет использование вместо простых p-n-переходовгетероструктур, состоящих из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, (например,GaAs(Zn) –p-область иGaAs–n-область). КПД таких структур достигает 50%.

Как элементы оптоэлектроники светодиоды описываются двумя группами параметров: оптическими и электрическими.

К оптическим относятся перечисленные ниже.

Излучательная характеристика– зависимость относительного значения потока излучения от прямого токаФ/Ф_ном = f(I).

Спектральная характеристика,показывающая изменение относительного значения светового потока с длиной волны Ф_ /Ф_ном = f().

Диаграмма направленности излучения–зависимость относительного значения потока или силы света от направления распространения Ф/Ф_макс = f().

Мощность излучения(P_изл) для светодиодов ИК-диапазона.

Сила светаилияркостьдля приборов видимого диапазона.

Электрические параметры светодиодов задаются так же, как и параметры обычных выпрямительных диодов. В справочной литературе обычно приводятся:

• максимально допустимые прямое и обратное напряжения;

• максимально допустимый прямой ток (I_{пр макс}).

Система обозначений светодиодов аналогична обозначениям обычных диодов, только вместо буквы Д используют букву Л. Например, светодиод АЛ301Б имеет: _макс= 0,7 мкм; силу света 0,1 мкд (милликанделы); прямой ток 10 мА при прямом напряжении 2,8 В.

Обратите внимание, что прямое напряжение светодиода в несколько раз превышает прямое напряжение обычного диода, что в некоторых случаях отражается на способах включения светодиодов в электрическую цепь.

Дальнейшее развитие излучающих диодов направлено на увеличение КПД в ИК и оптическом диапазоне, а также на освоение всего диапазона видимого спектра.

Кроме простых ординарных светодиодов, промышленность выпускает полупроводниковые индикаторы, предназначенные для отображения информации в устройствах электроники. В зависимости от характера отображаемой информации они подразделяются на дискретные (семисегментные и матричные светодиодные индикаторы), шкальные (линии светящихся точек), знаковые (цифры, буквы, условные символы) и графические. Количество элементов изображения в современных полупроводниковых индикаторах доходит до нескольких тысяч. Основой конструкции этих индикаторов являются обыкновенные светодиоды, выполняемые на подложке большого размера в едином технологическом цикле.

В ряде случаев в качестве управляемых источников света применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным.

Излучение лазера возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер (площадь поперечного сечения 0,5-2 мкм², протяженность зоны 300-500 мкм) и эту активную область выполняют из материала с малым затуханием для оптических волн и с другим показателем преломления, чем у окружающей среды. В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями (полупрозрачными зеркалами, получающимися при полировке торцов кристалла). Этот световод и играет роль резонатора.

При токе инжекции, меньшем некоторого порогового значения, наблюдается обычное некогерентное спонтанное излучение, как в обычном светодиоде. При увеличении тока выше порогового значения происходит резкое увеличение выходной оптической мощности. Объясняется это тем, что при инжекционной рекомбинации возникают фотоны, часть которых движется строго перпендикулярно торцам кристалла. При распространении в кристалле фотон стимулирует появление новых, подобных себе фотонов. Дойдя до зеркальной торцевой грани, фотоны отражаются обратно в кристалл, порождая лавину новых, которые снова и снова отражаются от зеркальных граней. Линейные размеры кристалла подбираются такими, чтобы резонансная частота кристалла-резонатора совпадала с частотой основного квантового перехода, определяемой выражением (6.2). В этом случае излучение становится когерентным. Поток увеличивается до тех пор, пока не будет исчерпан запас возбуждаемых частиц или число вновь возбуждаемых частиц станет равно числу частиц, возвращающихся в нормальное состояние. Энергия потока существенно увеличивается и за счет нелинейных свойств кристалла. Поток фотонов выводится из лазера во внешнее пространство через одну из полупрозрачных граней.

Для создания полупроводниковых лазеров (ПЛ) применяются GaAlAs,InP,PbSe,PbSи другие полупроводниковые материалы. ПЛ имеют малую мощность возбуждения и небольшую выходную мощность (единицы и десятки милливатт). ПЛ являются самыми миниатюрными представителями лазеров – их размеры составляют доли миллиметра, а вместе с корпусом и устройством для теплоотвода – около сантиметра. Основное применение ПЛ находят как источники света в волоконно-оптических линиях связи и в оптических устройствах записи и считывания информации.