2.2 Светоизлучающие диоды

Принцип действия СИД основан на явлении электролюминесценции, то есть излучения света материалами под действием электрического поля. Излучение фотонов обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. При протекании тока через p-n переход в прямом направлении наблюдается излучательная рекомбинация инжектированных не основных носителей. Наибольшее применение получили гетеропереходы.

Гетеропереход – переход, образованный между материалами со сходной кристаллической структурой, но обладающими разной шириной запрещенной зоны и показателями преломления.

СИД имеет трехслойную структуру: пассивные слои (1) и активный слой (2). В n-области свободные электроны занимают разрешенные уровни в зоне проводимости, а в p-области дырки занимают соответствующие уровни в валентной зоне (рисунок 2.9).

Структура сид Диаграмма прямо смещенного перехода

Распределение показателей преломления

Рисунок 2.9

В плоскости контакта p-n перехода возникает разность потенциалов – потенциальный барьер, препятствующий диффузии электронов в р-область и дырок n-область. При приложении прямого смещения наблюдается односторонняя инжекция электронов и дырок в активный слой. Высокая концентрация носителей в активном слое обеспечивается скачком потенциала Е на границе гетероперехода. В активном слое наблюдается рекомендация носителей с выделением избыточной энергии в виде фотонов света. СИД функционирует на основе спонтанного излучения и формирует некогерентные волны с .

Соотношение показателей преломления активного и пассивного слоев n₂>n₁ обеспечивает волноводный эффект и повышает КПД источника.

При разработке конструкций СИД необходимо уменьшать поглощение фотонов полупроводником и обеспечить эффективный ввод излучения в волокно.

Различают две структуры СИД: поверхностный СИД (рисунок 2.10) торцевой СИД (рисунок 2.11).

В поверхностном СИД – излучение выводится с поверхности активного слоя в перпендикулярной ему плоскости. Оптическое волокно («пиглейл») присоединяется к поверхности источника через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает эффективный ввод мощности спонтанного излучения в световод.

Рисунок 2.10 – Конструкция поверхностного СИД

В торцевом СИД – излучение выводится с одного торца активного слоя в параллельной к нему плоскости. Другой торец активного слоя выполняется в виде зеркала. Излучающий торец согласуется с ОВ линзовой системой.

Рисунок 2.11 – Конструкция торцевого СИД

В суперлюминесцентных диодах (СЛД) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное - вынужденное излучение – является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД обладает высоким оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. По конструкции СЛД соответствует торцевому СИД, но работает при более высоких токах инжекции от 50 до 100 мА.