4.1.1. Світлодіоди

Завдяки своїй простоті та низькій вартості СД розповсюджені значно ширше, ніж ЛД. Базовими матеріалами для створення сучасних напівпровідникових випромінювачів та фотоприймачів є арсенід галію () та фосфід індію (), а також сполуки на їх основі. ЛД і СД будуються переважно на основі подвійної гетероструктури, схематичне зображення якої у спрощеному вигляді подано на рис. 4.1.2

П

Рис. 4.1.2

ринцип роботи світлодіода грунтується на випромінюючій рекомбінації носіїв заряду в активному шарі 1, що розташований між обмежуючими (пасивними) шарами 2, які формуються з напівпровідника з великою шириною забороненої зони. Границя розділу між двома шарами напівпровідникових матеріалів з різнимимає назву гетеропереходу. Особливістю, яка притаманна гетеропереходу є одностороння інжекція, зумовлена потенційним бар’єром. Цей потенційний бар’єр виникає на границі розділу внаслідок стрибка потенціалу. Тому, якщо прикласти до гетероструктури пряме зміщення, тобто пропускати через неї струм, електрони і дірки проникають в активний шар (гетероперехід) із межуючих пасивних шарів (- і- шарів). Після цього електрони і дірки спонтанно рекомбінують, що супроводжується випромінюванням.

Довжина хвилі випромінювання зв’язана з шириною забороненої зони активного шару (в еВ) законом збереження енергії.

Показник заломлення активного шару більше показника заломлення шарів, які обмежують активний шар, завдяки чому виникає хвилевідний ефект. Внаслідок цього випромінювання розповсюджується вздовж активного шару, багатократно відбиваючись, що призводить до значного підвищення коефіцієнта корисної дії джерела.

Для роботи в діапазоні 0,8-0,9 мкм використовують гетероструктури на основі трикомпонентної сполуки типу . Для напівпровідникових джерел, що працюють у діапазоні 1.1-1.7 мкм, застосовують чотирикомпонентну сполуку.

Зауважимо, що випромінювання світлодіодів виникає як спонтанне випромінювання. Тому таке випромінювання є некогерентним, відносно широкосмуговим та слабоспрямованим. Ширина діаграми направленості світлодіодів зазвичай складає величину близько 120^о.

Особливо треба виділити суперлюмінесцентні світлодіоди. У цих діодах, окрім випромінювання внаслідок спонтанної рекомбінації, використовується випромінювання, яке виникає в процесі індукованої рекомбінації; відповідно вихідне випромінювання можна розглядати як підсилене в активному середовищі. Суперлюмінесцентні світлодіоди являють собою торцеві світлодіоди, які працюють при таких густинах струму інжекції, що в матеріалі активного шару починає спостерігатися інверсійна заселеність енергетичних рівнів.

Для підвищення ефективності введення використовують мікролінзи як ті, що формуються безпосередньо на поверхні приладу, так і зовнішні.

Найбільш поширені дві основні модифікації СД: поверхневі та торцеві.

У поверхневих СД випромінювання виводиться в напрямку, перпендикулярному до площини активного шару, в торцевих СД – у площині, яка паралельна площині активного шару. Виведення випромінювання в СД поверхневого типу на арсеніді галію здійснюють через круглий отвір у підложці світлодіода. В цей отвір встромляють оптичне волокно і кріплять його за допомогою епоксидної смоли. Таку конструкцію СД називають діодом Барраса. Відомі також конструкції поверхневих СД із виведенням випромінювання безпосередньо через підложку. Такі конструкції використовують у СД на чотирикомпонентній сполуці . В цьому випадку прозоре вікно – підложка з.