Лабораторная работа N7

Исследование интегральных оптронов

Цель работы:

Изучить принцип работы оптоэлектронных полупроводниковых приборов, освоить методику измерения параметров оптронов.

1. Введение

Весьма обширное применение в радиотехнике находят оптоэлектронные приборы.

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор – это прибор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение, чувствительный к этому излучению в видимой, инфракрасной(ИК) и (или) ультрафиолетовой (УФ) областях спектра или использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов.

Оптическим диапазоном электромагнитных колебаний, в котором могут работать оптоэлектронные полупроводниковые приборы (ОЭПП), считается диапазон длин волн от 1 мм до 1 нм (рис.1).

Рис.1

ОЭПП делятся на излучатели и приемники излучения, оптопары и оптронные интегральные микросхемы. Классификация ОЭПП представлена на рис.2.

Рис.2

Полупроводниковый излучатель – это ОЭПП, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения видимой, ИК – или УФ – областей спектра.

Большая часть полупроводниковых излучателей могут излучать только некогерентное электромагнитное излучение: излучатели видимой области спектра (светоизлучающие диоды (СИД), знаковые индикаторы, шкалы и экраны) и полупроводниковые излучатели инфракрасной области спектра (ИК - диоды).

Когерентные полупроводниковые излучатели - лазеры с различными видами возбуждения. Они могут излучать электромагнитные волны с определенной амплитудой, частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией, что и соответствует понятию когерентности.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Оптические свойства полупроводников

При облучении поверхности полупроводника электромагнитным излучением (потоком фотонов) наблюдаются явления рассеяния, отражения и поглощения фотонов, в результате чего плотность потока падающих фотонов не совпадает с суммарной плотностью потоков отраженных и прошедших через полупроводник фотонов.

Существуют различные механизмы поглощения электромагнитного излучения (далее для краткости будем называть - света). В результате поглощения кванта света - фотона - его энергия может быть передана: а) электронам валентной зоны с переводом их в зону проводимости (ионизация атомов полупроводника) – собственное поглощение; б) свободным электронам зоны проводимости или дыркам валентной зоны – поглощение носителями заряда, с изменением энергии носителей за счет энергии поглощенного фотона; в) примесным атомам с последующей их ионизацией – примесное поглощение; г) кристаллической решетке с возбуждением колебаний атомов решетки (фононов) и повышением внутренней энергии кристалла.

Энергия электрона в вакууме может быть выражена через его импульс:

где:- вектор скорости свободного электрона,- его масса, а- импульс электрона. Таким образом, зависимостьпредставляется параболой (рис.3а). Чаще подобную зависимость изображают отволнового вектора (,ħ постоянная Планка).

В кристалле электрон свободен весьма условно, поскольку он находится в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки, узлы которой заняты ионами полупроводника или примеси. Чтобы достаточно сложные законы движения электрона в поле кристалла описать с помощью соотношений классической механики, вводят понятие эффективной массы электрона, которую принимают как коэффициент пропорциональности между силой, действующей со стороны поля на электрон, и его ускорением.

Зона проводимости полупроводника образована несколькими перекрывающимися разрешенными зонами атомов полупроводника и примесей. Поэтому структура энергетических зон или энергетическая диаграмма полупроводника в пространстве волнового вектора (в - пространстве) может иметь несколько минимумов (долин) (рис.3б). Из рис.3б следует, что в зоне проводимости могут существовать электроны с одинаковой энергией, но с различным волновым вектором или импульсом (штриховая линия), т.е. имеющие разные эффективные массы:

(2.1)

Т.к. , то , что означает, что в полупроводнике могут существовать свободные электроны с различными подвижностями : <<легкие>> электроны с меньшей эффективной массой и большей подвижностью в центральной долине и <<тяжелые>> электроны с большей эффективной массой и меньшей подвижностью в боковых долинах.

В слабых электрических полях почти все свободные электроны имеют малые дрейфовые скорости и импульсы и поэтому находятся в более глубокой центральной долине. В сильных полях электроны получают дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны , и могут уже перейти в боковую долину, где они становятся <<тяжелыми >> и обладают малой подвижностью. Поэтому средняя подвижность всех электронов с увеличением напряженности поля уменьшается, а подвижности “легких” и “тяжелых” электронов могут отличаться в десятки раз.

При собственном поглощении фотонов, в зависимости от их энергии, переход электрона из валентной зоны в зону проводимости может происходить без изменения импульса (или волнового вектора ), например в центральную долину (переход 1 на рис.3б). Такие переходы называются прямыми. Может происходить переброс электрона в зону проводимости с изменением волнового вектора (переход 2 на рис.3б) – непрямые переходы. В последнем случае в процессе поглощения фотона должна участвовать третья частица, которая, в соответствии с законом сохранения импульса, заберет на себя изменение импульса электрона. Такой квазичастицей обычно является фонон – квант тепловой энергии кристаллической решетки.

Поглощение света в полупроводнике характеризует показатель поглощения , равный относительному изменению светового потока в слое полупроводника единичной толщины (рис.4):

(2.2)

Выражение (2.2) приводится к виду:

интегрирование которого, дает:

или (2.3)

Из (2.3) следует, что показатель поглощения - это величина, обратная толщине слоя полупроводника, пройдя который поток фотонов уменьшается в е = 2, 718… раза.