лекция_Оптоэлектроника

Прямой переход — это переход электрона без изменения его импульса. Непрямой переход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или поглощаемого фотона.

Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости с изменением импульса электрона (Рэ1 ≠ Рэ2) — непрямые переходы. При этом в процессе поглощения энергии, кроме фотона и электрона, должна участвовать еще третья частица, которая заберет часть импульса на себя).

Основные материалы полупроводниковых излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе — GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона.

Выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для любого электронного перехода, как и соблюдение закона сохранения энергии) при прямых переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полупроводники являются эффективными люминесцентными материалами.

В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлии GaP) минимум зоны проводимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и, соответственно, часть энергии. Длина волны излучения при непрямых переходах получается больше. Тем не менее излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры в два этапа: сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а затем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы донор — акцептор (Zn+- 0-) или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в решетке GaP).

Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводниках значительно сильнее, чем в непрямозонных.

Предпочтение в современных излучателях отдано полупроводникам с прямыми переходами. Выбор ширины запрещенной зоны , определяется рабочей длиной волны излучателя в оптическом диапазоне волн.

Для работы в диапазоне видимого излучения (0,38...0,78 мкм) необходимы полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5...3,0 эВ. Это требование сразу исключает использование германия, кремния и других полупроводников, технология которых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа A111BV, их твердым растворам и др.

В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается обычно с помощью электролюминесценции. При электролюминесценции энергия возбуждения потребляется из электрического поля. Различают два вида электролюминесценции:

инжекционную, которая возникает в р-n-переходе, находящемся под прямым напряжением; предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем. при которых появляется электрический пробой р-n-перехода. Здесь: Ith – пороговое значение тока инжекции ( от английского threshold – порог, уровень).

В гомолазере пороговое значение плотности тока высокое ( более 50 кА/см2).

При температуре 20 ºС и постоянном токе выделяется много тепла, генерация в лазере не возникала и он не работал в непрерывном режиме. Здесь инжектированные носители имели малую область, ограниченную длиной волны.

В США в 1970 году в “ Белл раборатриз” доктора Ихоязи и М. Б. Панишем изготовили лазеры на двойной гетероструктуре AlxGa1-xAs и GaAs. Пороговая плотность тока здесь до 1,6 кА/см2. В основе процесса преобразования электромагнитных волн положен принцип излучения света при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону. Для этого необходимо обеспечить инжекцию носителей зарядов, этот процесс называется накачкой.

С помощью инжекции обеспечивается создание неравновесных носителей зарядов, что обеспечивает генерацию носителей зарядов в p-n переходе. Подавая прямое напряжение на лазер, обеспечиваем ток. Если изменить ток инжекции, то на выходе изменяется световая

18

энергия, это оптическая модуляция (здесь прямая, непосредственная).

Если инжекционный ток превышает Ith, то идет резкое линейное увеличение оптического выхода лазера. Здесь режим медленного роста вынужденного излучения заменяется режимом генерации. Заметим, что до режима генерации время такое же, что и у лампы накаливания. В области Ith – процесс упорядочивания фазы.

Мы рассмотрели излучательные комбинации: спонтанное и вынужденное излучение.

В лазерах с помощью вынужденной рекомбинации электронов и дырок происходит вынужденное испускание фотонов возбужденным атомом. При вынужденном облучении, рекомбинация пропорциональна интенсивности излучения, а фаза равняется фазе падающего света. Это процесс усиления света. Здесь управление излучением происходит с помощью электромагнитных волн. Причем и усиление и генерация проходят как единый, общий процесс.

Рис. 13. Энергетические виды излучений и световая характеристика лазера

Отметим состояние электронов на уровне:

1.На энергетическом уровне Ec – короткоживущее состояние электронов, что обеспечивает спонтанное излучение.

2.На энергетическом уровне E – долгоживущее состояние электронов, это обеспечивает индуцированное излучение.

3.На энергетическом уровне Ev будет основное состояние электронов.

Вравновесных условиях на более высоких энергетических уровнях, при любой температуре, число уровней меньше, чем на низких. Усиления здесь нет, так как поглощение преобладает над вынужденной рекомбинацией. В состоянии с инверсной населенностью, когда число электронов на одном из уровней с большей энергией больше числа электронов, чем на уровне с меньшей энергией.

Поглощение света мало в этом слое, так как около потолка валентной зоны почти нет электронов перехватывающих кванты.

Во-вторых, в полупроводнике с инверсной населенностью может быть вынужденная рекомбинация. Ее создают:

1.С помощью инжекции носителей зарядов при прямом включении перехода. Применяют в инжекционных лазерах.

2.С помощью электронного возбуждения, при бомбардировании пучком электронов.

3.С помощью оптической накачки от когерентного и некогерентного источника света, когда электроны возбуждаются квантами света.

4.С помощью эффектов сильного электрического поля (при лавинном размножении носителей зарядов или туннелировании электронов при их переходе с энергетических уровней вблизи потолка валентной зоны на энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости).

19

Инверсную населенность получают, когда одна из областей p-n перехода вырождена (перенаселена).Чем больше прямой ток, состоящий из электронов и дырок, тем больше инверсная населенность. Ранее прямой ток равнялся Ith – это минимальный ток, когда преобладает вынужденная рекомбинация над поглощением.

При прямом токе превышающем Ith создается усиливающая среда для света (смотри принцип работы инжекционного лазера с резонатором Фабри-Перо).

Источники излучения передатчиков

Источниками излучения для передатчиков с прямой модуляцией являются:

1.СИД, которые применяются в сетях связи с малой скоростью передачи информации, до 1 Гбит/с (для замкнутых систем наблюдения, в локальных вычислительных сетях, в измерительных системах и т. д., когда применяют многомодовые оптические волокна).

2.В сетях связи со скоростью передачи информации до 2,5 Гбит/с используются лазеры с резонатором Фабри-Перо.

3.Лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры).

4.Лазеры с распределенными брэгговскими отражателями (РБО) (в сетях связи со скоростью передачи информации более 2,5 Гбит/с).

5.Лазеры с вертикальны резонатором и вертикальным излучателем (будут использоваться в будущем, в сетях связи со скоростью передачи информации до 10 Гбит/с).

Однако в исследовательских центрах достигнуты большие скорости (более 1 Тбит/с), а коммерческие системы сейчас имеют скорость передачи информации 40 Гбит/с. Здесь идет одновременная работа многих потоков информации с меньшей скоростью, используется временное разделение (OTDM-технология) – временное мультиплексирование оптическими методами. Здесь перспективными лазерами будут лазеры с пассивной синхронизацией мод. Это твердотельные лазеры.

Рассмотрим принцип работы первого лазера на основе p-n перехода Фабри-Перо (лазер ФП). Инверсная населенность здесь получается, когда одна из областей вырождена, тогда чем больше прямой ток, состоящий из электронов и дырок тем больше инверсная населенность.

На графике мы видели, при минимальном токе Ith преобладает вынужденная рекомбинация над поглощением. Торцы – отражающая область.

p

активная область Инверсная населенность

n

Рис. 14. Структура инжекционный лазера с резонатором Фабри-Перо.

Если торцы p-n перехода противоположны, строго параллельны и отполированы, то кванты света несколько раз проходят в плоскости перехода с усилением света.

Если грани не металлизировать, то отражение света доходит до 35%. Многократно отражаясь от торцов, кванты света выходят из полупроводника, при этом они движутся вдоль активной зоны. Две другие грани скошены под некоторым углом, что обеспечивает отсутствие генерации света между ними. При многократном отражении идет процесс усиления света. У излучения при этом большая энергия.

20

Принцип действия полупроводникового лазера с гетероструктуройструктурой

Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциальными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает одностороннюю инжек цию носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое равновесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно шире запрещенной зоны базы, а показатель преломления n зависит от ширины запрещенной зоны.

Вгетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как условие инверсии населенности энергетических уровней выполяется за счет разницы в ширине запрещенных зон Еg.

Высокая концентрация носителей в средней области структуры достигается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению внутренней квантовой эффективности.

Первые инжекционные лазеры имели плотности порогового тока до 10 А/см при 300 К и поэтому не могли работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Избежать этого недостатка удается при использовании гетероструктур. В них за активной областью р-n-перехода следует полупроводниковый слой с большей шириной запрещенной зоны и меньшим показателем преломления для лучшего пространственного огра-

ничения носителей и оптического излучения. Это способствует уменьшению порогового тока лазеров с одиночной гетероструктурой до 104 А/см2 при комнатной температуре. Еше лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой.

Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная элекфолюминесцеция. Лазер с гетероструктурой (рис. 15.), кроме активного слоя (например, GaAs), содержит

слои (например, AlGaAs), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещенной зоны активного слоя. Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной области, и мощность излучения при том же токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличивается, Кроме того, показатель преломления активной области больше, чем у гетерослоев.

Врезультате при возникновении излучения в активной области возникает полное внутреннее отражение от ее границ, что приводит к росту и мощности, и направленности излучения. Как видно из рис. 15, верхний электрод полупроводникового лазера выполнен в виде узкой полоски. Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и в основном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одно-модовых оптических волокон.

Разработан ДГС-лазер, который при комнатной температуре имеет плотность порогового тока всего 1600 А/см2. Лазер выполнен на основе тройного

полупроводникового соединения GaAlAs. Активный слой из р — GaAs с узкой запрещенной зоной имеет, толщину значительно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями GaxAli,xAs с широкой запрещенной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску вытравливают в тонком слое SiO2, осажденном на полупроводниковый кристалл, и вскрывают окно под металлический контакт. Благодаря этому накачке подвергается только часть активной области под полоской. Применив лазер длиной 400 мкм с полоской шириной 13 мкм, получили пороговый ток 300 мА при комнатной температуре. Более того, лазеры с полосковой геометрией сделали возможной работу на одной поперечной моде и на одной частоте, тогда как первые ннжекционные лазеры характеризовались многомодовым спектром.

21

В простейшем инжекционном лазере толщина активного слоя соизмерима с длиной волны. Поэтому возникает дифракция света, в результате которой фотоны «растекаются» в прилегающие к активному слою области. Это явление резко уменьшает мощность, расширяет спектр и ухудшает направленность излучения.

Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и в основном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одномодовых оптических волокон.

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все избыточные носители зарядов сосредоточиваются в активной средней области, их проникновение в эмиттер ничтожно мало. Положительную роль играет также волновой эффект, способствующий концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного среднего слоя структуры. В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший кпд, что, в свою очередь, позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

Рисю 15.

Краткие теоретические сведения

В оптических цепях носителями сигналов являются электрически нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются. Оптические цепи не подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую развязку входной и выходной цепей оптоэлектронного элемента связи, однонаправленность передачи и отсутствие влияния приемника на передатчик, высокую помехозащищенность оптических каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электрических и магнитных полей, отсутствие влияния паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале связи и отсутствие паразитных связей между каналами, а также хорошее согласование цепей с разными входными и выходными сопротивлениями.

Невосприимчивость оптического излучения к различным внешним воздействиям и электронейтральность фотона являются не только достоинствами, но и недостатками, так как затрудняют управление интенсивностью и распространением светового потока.

Компоненты оптоэлектроники и электроники существуют, не отрицая друг друга, а каждый из них используется в той области, где применение его целесообразно.

В устройствах оптоэлектроники передача информации от управляемого источника света (фотоизлучателя) к фотоприемнику осуществляется через светопроводящую среду

22

(воздух вакуум, световоды), выполняющую роль проводника оптического излучения. Световодные линии являются эквивалентами электрических проводников и характеризуются большой пропускной с пособностью, возможностью совмещать в одном световоде большое число каналов связи при очень высокой скорости передачи информации, достигающих гигабит в секунду. Оптическое излучение легко разделяется по длинам волн, поэтому можно объединять в одном световоде несколько каналов информации.

Оптоэлектронные устрой ства могут быть изготовлены по интегральной технологии. Оптические интегральные схемы обладают широкой полосой пропускания, невосприимчивостью к вибрации, повыше нной надежностью, экономичностью при серийном производстве, малыми размерами и массой.

Излучающие приборы п реобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения с определенной длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе работы управляемых источников оптического излучения лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, газоразрядное излучение, электролюминесценция, индуцированное и злучение. Источники излучения бываю т когерентными и некогерентными. Лампы н акаливания, газоразрядные лампы, элек тролюминесцентные элементы, инжекционные светодиоды являются некогерентными ист очниками излучения. Когерентными источниками и злучения являются лазеры.

Принцип действия полуп роводниковых излучающих приборов основан на явлении электролюминесценции. Электролюминесценцией называют явлен ие излучения света телами под действием электрического поля. Электролюминесценция является частным случаем люминесценции. По д люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее дл ительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесцироват ь могут твердые, жидкие и газообразные тела.

В оптоэлектронных приборах используется люминесценция крист аллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной. Для работы в диапазоне видимого излучения (0,38...0,78мкм) и спользуются полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5...3,0 эВ. В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается инжекциоиной электролюминесценцией. Генерация оптического излучения в р-п-переходе объединяет два процесса: ин жекцию носителей и электролюминесценцию.

Светодиод

Одним из наиболее распрост раненных источников оптического излучения является Светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения, при смещении р-п-перехода в прямом направлении. На рис. 16. показана конструкция плоского, а на рис. 17. - полусферического светодиода.

23

При приложении прямого напряжения UВН к р-п-переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход. Увеличивается инжекция дырок в п-область, а электронов в р-область. Прохождение тока через р-п-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом р-п-переходе, так и в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами Lп и Lр. В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки) вблизи середины запрещенной зоны и сопровождается выделением тепловой энергии - фонона. Такая рекомбинация называется безызлучательной. В ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света — фотона. Это происходит у полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - прямозонных полупроводников. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны (переход зона - зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток р-п-перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в р-п- переходе.

Излучатели изготовляют из p-n-переходов и из гетеропереходов на основе арсенида

галлия GaAs, фосфида галлия GaP, твердых растворов этих соединений GaAs1-ХPХ др. типа

АIIIБV.

Только гетеропереходы позволяют создать приборы с необходимыми параметрами.

Так среди соединений твердых полупроводниковых растворов типа АIIIБV нитрид галлия GaN имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (Еg=3.5 Эв) гетероперехода. В этом случае энергии фотонов, возбуждаемых в этом материале, перекрывают всю видимую область спектра.

Излучательная способность светодиода характеризуется:

-внутренней квантовой эффективностью (или внутренним квантовым выходом),

определяемой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей заряда за один и тот же промежуток времени. Так как часть фотонов покидает полупроводник, а другая часть отражается от поверхности полу- п роводника и затем поглощается объемом полупроводника, то вводится понятие квантовой эффективности излучения;

- внешней квантовой эффективностью излучения (квантовым выходом), определяемой отношением числа фотонов, испускаемых диодом во внешнее пространство, к числу инжектируемых носителей через р – п-переход.

Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной способности светодиода, который учитывает эффективность инжекции, электролюминесценцию и вывод излучения во внешнее пространство. С целью повышения эффективности вывода излучения светодиода используют различные конструкции (рис. 16., 17.): полусферы, отража-ющие металлизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение.

Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, излучательная,

спектральная.

На рис. 18. представлены ВАХ светодиодов из разных полупроводниковых матери-алов. Различие прямых ветвей ВАХ из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем больше прямое падение напряжения на диоде,

тем меньше длина волны излучения и больше потери электрической энергии в нем. Обратные ветви ВАХ имеют относительно малые пробивные напряжения, что объяс-

24

ными или организуются в несколько разрядов. Изготовляют их с общим анодом или с общим катодом.

Рис.21.

На рис.22. показана конструкция и схема цифробуквенного одноразрядного индикатора 3ЛС320А (Г ) красного свечения на основе светодиодны х эпитаксиальных структур галлий – фосфор – мышьяк или 3ЛС320Б (В) зеленого свечения на основе структур галлий – фосфор. Это интегральная микросхема, которая состоит из семи излучающих сегментов и децимальной точки. Здесь восемь p – n-переходов в одном монокристалле полупроводника.

Рис.22.

Фотоприемники

Фотоприемники — это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излу чения в электрическую энергию. Функции фотоприемников могут выполнять фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и

т.д. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электричес-кий

- внешнем фотоэффекте - испускании веществом электронов п од действием света (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах);

-фотоэффекте в запираю щем слое- возникновении ЭДС на границе двух материалов под действием света.

26

Фоторезисторы