3.5. Напівпровідникова та квантова електроніка (частково)

Напівпровідникова та квантова електроніка – окремі, самостійні та потужні науково -технічні галузі, які розв’язують свої задачі, але деякі розроблені пристрої та прилади цих галузей за всіма ознаками (див розд 1) можна віднести й до функціональної електроніки. Розглянемо два приклади: світлодіоди та напівпровідникові лазери.

С

Рис.3.17. Конструкція та загальний вигляд світлодіода

вітлодіоди (світловипромінювальний діод) –напівпровідниковий прилад, який перетворює електричну енергію в енергію оптичного випромінювання на основі явища інжекційної електролюмінесценції у напівпровідниковому кристалі з p-n-переходом, гетеропереходом або контактом типу «метал- напівпровідник» (розд 2). Коли за світлодіодом тече струм, то в ділянки напівпровідника поблизу p-n переходу інжектуються надлишкові неосновні носії заряду – електрони та дірки. Рекомбінація цих зарядів з основними супроводжується оптичним випромінюванням некогерентного світла. Довжина хвилі випромінювання залежить від матеріалу напівпровідника та характеру його легування.

Світлодіоди для видимого та ближнього ІЧ-диапазонів виготовляють, головним чином, з напівпровідників групи А^IIIB^V(GaAs, GaP та ін.., див. розд 2.). Для одержання потрібного світіння матеріали легуються різними домішками. Наприклад, GaP, легований Zn та О, дає червоне світіння, а легований азотом – зелене.

Виробляють дискретні та інтегровані світлодіоди, їх використовують як джерела світла в оптронах (розд .3) та сигнальні індикатори в різних системах відображення інформації.

Напівпровідникові лазери (інжекційні) – перетворюють електричну енергію в енергію когерентного оптичного випромінювання, в ньому використовують випромінювальні квантові переходи між дозволеними енергетичними зонами (рис.3, 18 б).

О

Рис.3.18. Напівпровідниковий лазер: а – схема лазера на основі AlGaAs; б – енергетична діаграма гетеро лазера (Е_С та Е_v дно зони провідності та стеля валентної зони, відповідно; Eⁿ_F і E^p_F – рівні Фермі для електронів та дірок, відповідно)

птичне випромінювання виникає при умов інверсної заселеності електронами рівнів поблизу дна зони провідності Е_с та дірками – рівнів поблизу стелі валентної зони Е_V. При цьому ймовірність заселення зони провідності вищі, ніж валентної зони. Це забезпечує перевагу вимушеного випромінювання над поглинанням квантів світла. У якості лазерного матеріалу використовують напівпровідники GaAs, CdS, PbS, у яких квантовий вихід досягає 100%. Інверсія заповнення зон досягається під час проходження великого прямого струму через p-n- перехід (рис.3.18, а) за рахунок інжекції носіїв заряду у шар напівпровідника, прилеглого до переходу Найбільшрозповсюджені лазери на гетеропереходах. Гетеролазер складається з двох гетеропереходів: один типу p-n інжектує електрони (емітер), а другий типу p-p обмежує дифузійне розтікання носіїв заряду. Активний шар знаходиться між ними (рис.3.18, а)

Напівпровідники, з яких готують гетеропереходи, повинні бути різного

хімічного складу, але з майже однаковим періодом кристалічної гратки.