Фово Лекции

Выводы

Для читателей, не знакомых с понятиями физики твердого тела, приведены зонные диаграммы собственных и примесных полупроводников, а также зонная диаграмма p-n - перехода. Рассмотрено излучение кванта света в p-n - переходе в результате инжекционной люминесценции. Рассмотрены различные механизмы рекомбинации электронно-дырочных пар в p-n - переходе, приводящие к уменьшению излучаемой мощности. Рассмотрены спектры рекомбинационного излучения в p-n - переходе.

Вопросы и задачи

13.1.Какие требования предъявляются к источникам излучения для ВОЛС?

13.2.Поясните механизм излучения света в p-n - переходе. Что такое инжекционная люминесценция?

13.3.Перечислите основные способы рекомбинации электрон- но-дырочных пар в p-n - переходе.

ЛЕКЦИЯ 14 Эффективность излучения света в

p-n - переходе

14.1. Прямозонные и непрямозонные полупроводники

В источниках света необходимо добиваться максимального значения параметра, называемого внутренней квантовой эффективностью. Его величина определяется отношением числа генерируемых фотонов к общему числу электронно-дырочных пар, пересекающих переход. Она зависит от относительной вероятности излучательных и безызлучательных переходов, а в результате от структуры перехода, примесных уровней в полупроводнике и от типа полупроводника.

Рассмотрим непрямозонные полупроводники. К ним относятся кремний, германий, фосфид галлия. На рис.14.1 изображена энергетическая диаграмма непрямозонного полупроводника.

121

Рассмотрим прямозонные полупроводники (см. рис. 14.2). Часто используемым для изготовления оптических источников прямозонным материалом является арсенид галлия GaAs.

Рис. 14.2. Энергетическая диаграмма для прямозонного полупроводника.

Из рис. 14.2 видно, что электроны нижних уровней зоны проводимости имеют практически такой же импульс, как и электроны верхних уровней валентной зоны. При прямых переходах из зоны проводимости в валентную зону закон сохранения импульса выполняется. Следовательно, имеется высокая вероятность прямых излучательных зона-зонных переходов и высокая внутренняя квантовая эффективность.

14.2. Внутренняя квантовая эффективность

Излучение фотона в p-n - переходе происходит при переходе электронов из зоны проводимости на верхние уровни валентной зоны, что соответствует рекомбинации электрон - дырочной пары. Однако, как мы убедились выше, не при каждом переходе происходит излучение кванта света. Для того, чтобы количест-

123

венно охарактеризовать способность p-n - перехода излучать свет, вводится понятие внутренней квантовой эффективности.

Внутренняя квантовая эффективность материала определяется выражением

где(dn / dt)и - скорость рекомбинации электронов и дырок в

единице объема, в которой учитываются только излучательные переходы,

(dn / dt) - скорость рекомбинации электронов и дырок с учетом

всех переходов, как излучательных, так и безызлучательных.

В общем смысле внутренняя квантовая эффективность может быть определена как отношение числа фотонов Nф, гене-

рируемых в полупроводнике в единицу времени, к общему числу Nоб электронно-дырочных пар, прошедших в единицу вре-

Оба определения внутренней квантовой эффективности совпадают, когда толщина полупроводника по обе стороны от перехода велика по сравнению с диффузионной длиной для электронов и дырок.

Для отдельного рассмотрения излучательных и безызлуча-

где (dn / dt)б - скорость безызлучательных переходов.

Если учесть, что

а параметры τи и τб являются временами жизни неоснов-

ных носителей, обусловленными соответственно излучательными и безызлучательными переходами, то внутрен-

124

няя квантовая эффективность будет определяться следующим выражением

также дислокации и другие дефекты кристаллической структуры способствуют росту безызлучательной доли рекомбинации.

Оценим значение внутренней квантовой эффективно-

τи ≈ 100 нс, и внутренняя квантовая эффективность существенно возрастает:

14.3. Внешняя квантовая эффективность

Не все фотоны, излученные в p-n - переходе, выходят из полупроводника вследствие поглощения и отражения от границы полупроводника. Для характеристики доли излучения, покинувшей полупроводник, вводится внешняя квантовая эффективность.

Внешняя квантовая эффективность - это отношение числа фотонов Nвыш, вышедших из полупроводника в единицу вре-

мени, к общему числу Nоб электронно-дырочных пар, прошедших в единицу времени через p-n - переход

125

Основная часть излучения генерируется в пределах одной-двух диффузионных длин от перехода и характеризуется отсутствием направленности. Три основных эффекта приводят к тому, что ηвнеш всегда меньше ηвнутр . Во-первых, только та часть излучения, которая подходит к поверхности под углом меньше критического θc , может выйти из полупроводника. Во-вторых,

часть и этого излучения отражается от границы раздела полу- проводник-воздух (френелевское отражение). В третьих, происходит поглощение между точкой генерации излучения и поверхностью полупроводника. Эти эффекты иллюстрируются на рис. 14.3.

Рис. 14.3. Три эффекта, приводящие к оптическим потерям в светодиодах: ограничение допустимого угла падения θc , фре-

нелевское отражение, поглощение.

На рис. 14.3 светоизлучающая поверхность изображена в виде слоя, излучающего во всех направлениях. Характеристики такого двустороннего диффузного излучателя можно рассчитать методом, изложенным в [1] (см. п. 8.4). Если I0 - мощность, из-

лучаемая в единицу телесного угла по нормали к источнику, I0 cos θ - мощность, излучаемая под углом θ, то мощность, излучаемая слоем с обеих сторон излучающей поверхности равна

126

Мощность, излученная под углом, меньшим критического θc

где n0 - коэффициент преломления окружающей среды (возду-

ха), n - коэффициент преломления полупроводника. Тогда доля мощности, которая может выйти через поверхность полупро- водник-воздух, равна

В случае светоизлучающего диода на основе арсенида галлия при излучении в воздух n0 =1 , n = 3,7 и f ′ = 0,036 .

Даже те лучи, которые идут под углом, меньшим критического θc , испытывают френелевское отражение от границы

раздела полупроводник-воздух. Из излучения, падающего перпендикулярно к поверхности, только доля Т проходит в воздух

(см. п. 3.2, п. 3.3)

При более наклонном падении лучей доля излучения, проходящего в воздух, уменьшается и становится равной нулю при критическом угле θc . В случае границы раздела арсенид галлия -

воздух T = 0,67 и

Коэффициент пропускания Т может быть увеличен при "просветлении", когда на поверхность полупроводника наносят слой прозрачного материала толщиной в четверть длины волны. Причем коэффициент преломления этого слоя nсл должен

удовлетворять условию: n0 < nсл < n .

127

Значительно более серьезны потери f ′ , обусловленные критическим углом, которые накладывают ограничение на мощность, введенную в оптическое волокно. Практические примеры согласующих устройств светодиод - волокно приводятся ниже.

Потери, обусловленные поглощением, трудно оценить количественно. Внутри полупроводника излученный фотон может взаимодействовать с электроном валентной зоны и возбудить его в зону проводимости. При этом фотон поглощается. Поэтому расстояние между областью генерации и излучающей поверхностью должно быть по возможности сокращено. При этом возникает опасность, что поверхность с ее высокой концентрацией ловушечных уровней может оказаться в пределах однойдвух диффузионных длин от перехода, что вызовет изменение безызлучательного времени жизни и уменьшение внутренней квантовой эффективности. В результате приходится принимать компромиссное решение.

Выводы

Введены понятия внутренней и внешней квантовой эффективности. Обсуждаются физические механизмы, приводящие к уменьшению излучаемой в p-n - переходе мощности. На основе формул Френеля, приведенных в лекции № 3, проведена количественная оценка внутренней и внешней квантовой эффективности.

Вопросы и задачи

14.1.Какие полупроводники называются прямозонными? Непрямозонными? Какие из них используются при изготовлении полупроводниковых светоизлучающих диодов?

14.2.Что такое внутренняя квантовая эффективность?

14.3.Рассчитайте внутреннюю квантовую эффективность для

непрямозонного полупроводника, имеющего τизл = 20 мс,

τб = 100 нс .

14.4.Как изменяется внутренняя квантовая эффективность при увеличении концентрации примесей в полупроводнике?

14.5.Что такое внешняя квантовая эффективность? Каким образом можно ее увеличить?

128

ЛЕКЦИЯ 15 Светоизлучающие диоды для оптической связи

15.1. Конструкция светоизлучающих диодов

Типичная структура светоизлучающего диода показана на рис. 15.1. [1]. Она применяется в источниках видимого диапазона на основе GaAsP или GaP , легированных N или ZnO .

Алюминиевый верхний контакт

Излучающая

поверхность

б)

Рис. 15.1. Типичная конструкция светоизлучающего диода. а) - поперечное сечение, б) - вид сверху. [1]

Другой вариант конструкции диода с небольшой излучающей поверхностью и высокой яркостью показан на рис. 15.2. Эта конструкция, разработанная Баррасом, хорошо приспособлена

129

для систем оптической связи. По сравнению с обычным светоизлучающим диодом излучающая поверхность отнесена ближе к подложке. При этом удается свести к минимуму расстояние между активным слоем и излучающей поверхностью. Изолирующий оксидный слой отделяет положительный контакт от полупроводника по всей площади, кроме светоизлучающей области.

Рис. 15.2. Поперечное сечение светоизлучающего диода Барраса

[4].

В конструкции Барраса близость активного слоя к полглотителю тепла означает, что тепловое сопротивление мало, и можно использовать высокие плотности тока без чрезмерного повышения температуры. Повышение температуры может привести к трем эффектам: изменению распределения излучения по длинам волн, падению внутренней квантовой эффективности из-за возрастания скорости безызлучательной рекомбинации, уменьшению срока службы светодиода. Вообще в приборах на основе GaAs и GaAlAsтемпература перехода не должна превышать

50 100o C .

Оценим, какую оптическую мощность можно передать от светодиода Барраса на основе GaAs в оптическое волокно через плоский воздушный зазор. Диаметр излучающей области предполагаем равным 50 мкм. Диаметр поверхности, через которую

130