4. Источники

4.1. Оптические переходы

В твердых телах переходы электронов между состояниями возможны либо с испусканием, либо с поглощением квантов света. В зависимости от начального и конечного состояния различают 4 типа переходов.

A - межзонные переходы, т.е. переходы электронов между состояниями, расположенными в зоне проводимости и запрещенной зоне,

B - внутризонные переходы, т.е. переходы электронов между состояниями, расположенными только в зоне проводимости или только в запрещенной зоне,

C - переходы между примесными состояниями, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне,

D - переходы между примесными состояниями и состояниями для электронов в зоне проводимости или валентной зоне. Для оптоэлектронных устройств наиболее важными являются оптические переходы типа A и типа D.

Межзонные переходы типа A обуславливают наиболее сильное поглощение или испускание света, с энергией близкой к ширине запрещенной зоны. hν >Eg. Эти переходы называют фундаментальными.

В зависимости от типа кристаллической структуры и характера химических связей в полупроводниках реализуется та, либо иная форма зависимости энергии электронов Е от волнового вектора К. Все полупроводниковые соединения можно подразделить на два типа этой зависимости - прямозонные и непрямозонные. В прямозонных полупроводниках энергетический минимум зоны проводимости и находится при К=0, также как и соответствующий минимум валентной зоны.

В непрямозонных полупроводниках энергетический минимум зоны проводимости находится при К отличном от нуля.

К полупроводникам с прямозонной энергетической структурой относятся GaAs, GaP, InGaAsP. К полупроводникам с непрямозонной энергетической структурой относятся Ge и Si.

При переходах электронов между состояниями должны соблюдаться законы сохранения энергии и квазиимпульса.

Очевидно, что квазиимпульс фотона на несколько порядков меньше, чем квазиимпульс электрона. Отсюда следует, что при межзонных переходах в непрямозонных полупроводниках необходимо участие третей частицы с малой энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных переходов с участием трех частиц ниже, чем двух, то следовательно в непрямозонных полупроводниках вероятность излучательной рекомбинации будет всегда меньше, чем в прямозонных.

Таким образом, для оптоэлектронных устройств, предпочтительнее использовать полупроводниковые соединения с прямозонной энергетической структурой и спектральный диапазон которых лежит в области фундаментального поглощения.

4.2. Излучательная рекомбинация

Физической основой излучения света (электромагнитного излучения) в твердых телах является рекомбинация неравновесных носителей. Процесс введения в какую-либо область твердого тела неравновесных носителей называют инжекцией. При анализе рекомбинации обычно имеют в виду, что при инжекции меняется концентрация неосновных носителей, в то время как концентрация основных носителей сохраняется. Это условие называют условием низкого уровня инжекции.

После снятия возмущения (прекращения инжекции) концентрация неравновесных носителей убывает от времени по экспоненциальному закону вследствие рекомбинации.

Поскольку от плоскости инжекции неравновесные носители распространяются на расстояние, равное диффузионной длине, то и излучательная рекомбинация, т.е. генерация квантов света, будет происходить только в этой области.

4.3. Методы инжекции

Основным методом создания неравновесных носителей в оптоэлектронных устройствах является инжекция неосновных носителей через прямосмещенный электронно-дырочный переход (p-n или гетеропереход).

4.3.1. Условие односторонней инжекции в p-n переходе

Вольт-амперная характеристика p-n перехода описывается следующим соотношением:

При прямом смещении в токе p-n перехода присутствуют обе инжекционные компоненты: электронная и дырочная. Для большинства оптоэлектронных устройств необходимо, чтобы в инжекционном токе присутствовала только одна компонента электронная или дырочная.

Из соотношения 4.3.1 следует, что доминирующая инжекционная компонента будет того типа, концентрация основных носителей в котором выше, т.е. в несимметричных p-n переходах p+n или n+p инжекция будет преимущественно дырок или электронов соответственно. Для несимметричных p-n переходав величина основной инжекционной компненты в токе p-n перехода выражается соотношением:

Таким образом для реализации односторонней инжекции в p-n переходе необходимо иметь эмиттер этого перехода легированным как правило до вырождения, а базу – слаболегированной, по крайней мере на 3-4 порядка меньше, чем эмиттер.

4.3.2. Условие односторонней инжекции в гетеропереходе

Для гетеропереходов величина полного тока также выражается соотношением 4.3.1. При анализе вкладов дырочного и электронного инжекционного тока необходимо учесть, что p и n области в гетеропереходах состоят из разных полупроводников. В связи а этим значения собственной концентрации ni диффузионной длины и коэффициэнтов диффузии будут различными.

Как правило в гетеропереходах ширина запрещенной зоны компонент гетероперехода отличается в 1,5 –2 раза. Вследствие этого значение собственной концентрации будут отличатся на много порядков. Например, для гетеропереходов nGe-pGeAs ширины запрещенных зон составляют 0,77eV и 1,43eV, а значение собственной концентрации 1, 6 1013 cm-3 и 2 107 sm-3.

Поэтому при прочих равных условиях инжекционная компонента тока из узкозонного полупроводника будет всегда выше, чем из широкозонного.

 

4.4 Светодиоды

Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый диод на базе p-n либо гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока.

По характеристике излучения светодиоды разделяют на две группы:

Спектральная характеристика излучения светодиода представляет из себя монохроматическую линию, полушириной kT и центрированную при значении hν=Eg, при этом интенсивность излучения описывается соотношением:

4.4.1. Светодиоды видимого диапазона

Спектральная чувствительность человеческого глаза находится в диапазоне от фиолетового до красного и имеет максимум для зеленого цвета. По длинам волн это находится от 0,39 мкм до 0,77 мкм, что соответствует энергии квантов света от 2,8eV до 1,8eV. Таким образом, в качестве излучателей среды в ИК-светодиодах видимого диапазона необходимо использовать прямозонные полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,8-2,8eV.

Наиболее подходящим полупроводниковым соединением, удовлетворяющим перечисленным характеристикам, является твердый раствор GaAs1-xPx. При изменении процентного содержания P от нуля до единицы ширина запрещенной зоны этого соединения меняется (x=0 GaAs, Eg=1,424eV; x=1 GaP Eg =2,31eV). Ниже на рисунке приведены зонные диаграммы GaAs1-xPx с различными значениями компонентов фосфора и мышьяка.

Рисунок: 4.6.

Из рисунка видно, что при x=0,45 и значении ширины запрещенной зоны Eg=1,77eV, полупроводник переходит из прямозонного в непрямозонный.

Для повышения эффективности излучательных переходов при x>0,45 в полупроводник вводят излучательные центры, например, азот (N). Азот, внедрённый в полупроводник, замещает атомы фосфора в узлах решётки. Азот и фосфор имеют одинаковую внешнюю электронную структуру (оба относятся к V группе элементов периодической системы), а структуры их внутренних оболочек сильно различаются. Это приводит к возникновению вблизи зоны проводимости электронного уровня захвата. Полученный таким образом рекомбинационный центр называется изоэлектронным центром. В нормальном состоянии изоэлектронные центры нейтральны.

В материале p-типа инжектированный электрон сначала захватывается на центр. Заряженный отрицательно центр затем захватывает дырку из валентной зоны, формируя связанный экситон. Последующая аннигиляция этой электронно-дырочной пары приводит к рождению фотона с энергией, примерно равной разности между шириной запрещённой зоны и энергией связи центра. Так как захваченный электрон сильно локализован на центре, его импульс рассеивается. Таким образом обеспечивается преобразование квазиимпульса, вследствие чего вероятность прямого перехода существенно возрастает.

В непрямозонных материалах, таких, как GaP, описанный механизм излучательной рекомбинации является преобладающим.

Светодиоды выпускаются красного (1,8eV GaP: ZnO, GaAs0,6P0,4), оранжевого (??GaAs0,35P0,65), желтого (??GaAs0,14P0,86), зеленого (2,3eV GaP, ZnTe), голубого (2,4eV GaAs-ErYb, SiC, CdS), фиолетового (2,8eV GaN) цветов свечения.

Конструктивно в светодиодах используют структуру с плоской геометрией (см. рис. 3.4.3). Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) - на подложках GaP (б).

При использовании подложки GaAs на неё наращивается переходный слой GaAs(1-x)Px переменного состава с х, изменяющимся в пределах 0-0.4, а затем слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом.

 

Рисунок 4.7.

Переходная область ограничивает образование безызлучательных центров, обусловленных различием решёток. Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их часть, которая проходит через поверхность.

Уменьшение количества излучаемых светодиодом фотонов обусловлено поглощением в материале светодиода, потерями за счёт отражения и потерями за счёт полного внутреннего отражения. Потери, связанные с поглощением, весьма существенны в светодиодах на подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых переходом. В светодиодах на подложках GaP (б) поглощение составляет ~25%, и эффективность излучения может быть существенно увеличена.

Полная эффективность преобразования электрического сигнала в оптический даётся следующим выражением:

На рис. 4.8 показаны поперечные разрезы светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усечённо сферическую геометрию.

Рисунок 4.8

Основное отличие этих трёх структур от структуры с плоской геометрией состоит в том, что телесный угол для них равен 1. Таким образом, отношение эффективностей равно

Это означает, что для структур на GaP c n=3.45 при данной геометрии можно ожидать увеличения эффективности излучения на порядок.

4.4.2. Светодиоды инфракрасного диапазона

Областями применения диодов ИК-излучения являются оптронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления.

Наиболее распространённый в настоящее время инфракрасный источник - это светодиод на основе GaAs (λ=0,9mkm). Он обладает наибольшей эффективностью электролюминесценции в oсновном благодаря тому, что среди всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники, имеющие запрещённую зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твёрдые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы.

Среди них тверды раствор переменного состава GaInAsP (λ=1,0–1,3mkm) наиболее популярный Ga0,28In0,72As0,6P0,4 (λ=126mkm).

4.5 Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через них электрического тока.

Генерация стимулированного когерентного излучения, или лазерный эффект, были разработаны для газовых лазеров и хорошо описаны, используя представление об электронных уровнях в атомных системах.

Рассмотрим два энергетических уровня E1 и Е2, один из которых E1 характеризует основное, а другой Е2 - возбужденное состояние. (рис. 4.9)

Рисунок 4.9.

Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой ν12, определяемой из соотношения hν12=E2-E1. При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hν12. Атом в состоянии E1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние E2. Это и составляет процесс поглощения излучения. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией hν12 (спонтанная эмиссия).

Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10-9-10-3 с, в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или непрямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией hν12, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν12 и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).

4.5.1. Зонная диаграмма и конструкция полупроводникового лазера

Принцип действия и конструктивные особенности полупроводниковых лазеров во многом сходны с полупроводниковыми светодиодами.

Инверсная населенность, необходимая для стимулированного когерентного излучения, формируется путем инжекции через прямосмещенный p-n переход. Резонатор, необходимый для усиления когерентного излучения формируется путем шлифовки граней кристалла.

Для того, чтобы переходы с излучением преобладали перед переходами с поглощением необходимо область рекомбинации в полупроводниковом лазере легировать до вырождения.

При прямом смещении в обе p+ и n+ происходит инжекция неравновесных носителей, и в этих областях на расстояниях порядка диффузионной длины Lp, Ln будет происходить рекомбинация неравновесных носителей.

При малых плотностях тока (низкий уровень инжекции) высока вероятность спонтанного излучения и спектральная линия достаточно широкая. При высоких уровнях тока (высокий уровень инжекции) вероятность стимулированного излучения возрастает как по отношению к вероятности спонтанного излучения, так и по отношению к вероятности поглощения, и на спектральной характеристике появляется узкая линяя когерентного излучения. Значение тока, при котором появляется линия когерентного излучения, называют пороговым током.

На рис. 4.13 показана базовая структура лазера с p-n переходом. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо.

Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока. Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором создаются условия для стимулированного излучения, и р-n переход испускаетмонохроматичный строго направленный луч света.

Рисунок 4.13.

С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом - nGaAs-pGaAs-Al(x)Ga(1-x)As; c двумя гетеропереходами - Al(x)Ga(1-x)As-GaAs-Al(x)Ga(1-x)As).

В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченой с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока.

На рис. 4.15 приведена зависимость Jth от рабочей температуры для трех лазерных структур. Самая слабая зависимость от температуры наблюдается для лазеров на двойных гетероструктурах (ДГ-лазерах). Поскольку Jth в ДГ-лазерах при 300К может достигать значений порядка 103 А/см2 и менее, оказывается возможным реализовать режим непрерывной генерации при комнатной температуре. Благодаря этому лазеры нашли широкое применение в науке и промышленности, в частности в ВОЛС.

Рисунок 4.15.