3.2 Принцип работы светодиода

СИД представляет собой кристалл полупроводника с p-n переходом (рисунок 3.2), протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Принцип работы полупроводникового СИД основан на возбуждении атомов, проходящих через диод, электрическим током.

Рисунок 3.2 –Светоизлучающий диод

Вследствие подачи прямого напряжения на СИД носители заряда (электроны и дырки) проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоёв (p и n слоя), а затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. При рекомбинации электронов и дырок в активном слое электроны переходят из нижних уровней зоны проводимости на верхние уровни валентной зоны. Возвращение электронов в основное состояние сопровождается излучением фотонов света с частотой:

f = (E₂-E₁)/h, (3.1)

где E₁ – энергия основного энергетического уровня в валентной зоне; E₂ – энергия энергетического уровня в зоне проводимости; h – постоянная Планка

(h = Дж•с). Частота излучения:

; (3.2)

где с – скорость света (с = м/с), поэтому длина волны излучения: определяется с помощью формулы 3.3, называемой частотное условие Бора:

. (3.3)

Таким образом, частота излучения (длина волны) зависит от материала, из которого изготовлен активный слой СИД, так как каждое вещество характеризуется своей шириной запрещённой зоны ΔW.= E₂-E_1. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного света. Например, красный цвет свечения имеют СИД из тройного соединения GaAsP, зелёный цвет свечения – у СИД из фосфида галлия GaP.

В ВОСП в качестве источников излучения применяют СИД и лазерные диоды инфракрасного излучения. Устройства на основе арсенида галлия с добавлением алюминия (GaAlAs) излучают свет длинной 0,8-0,9 мкм (1 ОП). Устройства на основе арсенида фосфида индия-галия (InGaAsP) излучают свет длинной 1,0-1,6 мкм (2 и 3 ОП).

Таблица 3.1–Материалы, используемые для изготовления СИД

Материал	Ширина запрещённой зоны, эВ	λ, мкм
Ga P	2.24	0.55
Al As	2.09	0.59
Ga As	1.42	0.87
In P	1.33	0.93
In As	0.34	3.6

3.3 Конструкции светодиодов для оптической связи

В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный и торцевой.

В поверхностном СИД (рисунок 3.3) волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке.

Такой способ стыковки СИД и ОВ обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в стекловолокно.

Рисунок 3.3 – Конструкция поверхностного СИД

Знак «+», находящийся рядом с типом проводимости указывает на область с более высокой концентрацией примеси, т.е. с более высокой проводимостью.

Недостатком поверхностного светодиода является то, что фотоны, рождающиеся в его активном слое, разлетаются во все стороны от активного слоя. Лишь малая часть фотонов (около 2) достигают оптического волокна. Поэтому поверхностные светодиоды не используют в качестве источников излучения в приёмопередатчиках ВОСП.

Рисунок 3.4 – Конструкция торцевого СИД (СЛД)

В конструкции торцевого светодиода (рисунок 3.4) предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В этом СИД применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, которые отличаются от активного слоя показателем преломления и шириной запрещённой зоны. Это создаёт в активном слое оптический волновод, способствующий увеличению мощности излучения и его концентрации в пространстве. В этом СИД, как и большинстве лазеров, имеются гетеропереходы. Гетеропереходами называются переходы между различными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещённой зоны. Из рисунка 3.4 видно, что показатель преломления активного слоя n₁ чуть меньше показателей преломления прилегающих к нему пассивных слоёв n_2, благодаря чему внутри СИД создаётся структура, аналогичная оптическому волокну. Эта структура не даёт фотонам вылетать в пассивные слои СИД, что приводит к уменьшению потерь света и более мощному и направленному излучению. Светоизлучающий торец СИД согласуется с ОВ линзовой системой.

Соединения Ga_1-хAl_хAs получаются путём замещения в кристалле арсенида галлия GaAs части атомов галлия алюминием. Чем больше молярная доля вещества (х), тем шире запрещённая зона.

Излучение СИД является спонтанным, это значит, что атомы излучают кванты в различные моменты времени, в различных направлениях, с различной поляризацией и с различной энергией, то есть излучение происходит беспорядочно. Работа лазеров основана на другом виде излучения, открытом Эйнштейном, и называемом стимулированным. При стимулированном излучении подавляющее большинство фотонов излучается в одном направлении, с одинаковой энергией и в одно время, т.е. излучение является когерентным. Благодаря некоторым выше перечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нём может происходить образование небольшого числа стимулированных фотонов. По этой причине торцевые СИД называют слабокогерентными источниками света – суперлюминесцентными диодами (СЛД).