Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Фотометрические и энергетические параметры


Старожицкая Н.П.

Оптоэлектроника. Учебное пособие/ Под ред. проф. В.В.Крушного.

Снежинск….

 

 

В учебном пособии изложены принципы работы оптоэлектронных устройств для преобразования, передачи, хранения и отображения информации, дается их описание, рассмотрены типичные их характеристики и области применения. Каждый раздел содержит контрольные вопросы.

 

Предназначено для студентов изучающих физическую электронику и оптоэлектронную технику, а также может быть полезно для широкого круга специалистов.

 

 


Содержание

Предисловие. 4

Введение. 5

1.1 Фотометрические и энергетические параметры.. 7

1.2 Колориметрические параметры.. 8

1.3 Цветовой тон и насыщенность. 9

Контрольные вопросы.. 10

2 Источники излучения. 11

2.1 Источники излучения. Классификация. Область применения. 11

2.2 Инжекционные светодиоды.. 13

2.3 Лазеры.. 17

2.3.1 Устройство и принцип работы лазера. Общие сведения и классификация. 17

2.3.2 Характеристики лазерного излучения. 21

2.3.3 Полупроводниковые лазеры.. 23

2.3.4 Волоконные лазеры.. 28

Контрольные вопросы.. 32

3 Приемники излучения. 33

3.1 Фоторезисторы.. 34

Характеристики фоторезисторов. 35

3.2 Фотодиоды.. 37

3.3 Фототранзисторы.. 41

3.4 Полевые фототранзисторы.. 43

3.5 Фототиристоры.. 44

Контрольные вопросы.. 46

4 Системы визуального преобразования информации. 47

4.1 Индикаторы, общие сведения, классификация. 47

4.2 Историческая справка. Четыре поколения индикаторных приборов. 50

4.3 Типы оптоэлектронных индикаторов. 51

4.3.1 Вакуумные катодолюминесцентные индикаторы.. 51

4.3.2 Газоразрядные индикаторы.. 54

4.3.3 Электролюминесцентные индикаторы.. 56

4.3.4 Жидкокристаллические индикаторы.. 61

4.3.5 Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы (ППЗСИ) 68

4.3.6 Индикаторы на основе органических электролюминесцентных структур (OLEDs). 70

4.3.7 Электрофоретические индикаторы.. 73

4.3.8 Электрохромные индикаторы.. 74

Контрольные вопросы.. 75

5 Оптроны и их применение. 76

5.1 Историческая справка. 76

5.2 Назначение и виды оптронов. 76

5.3 Особенности оптронов. 77

5.4 Элементная база и устройство оптронов. 78

5.5 Виды оптронов. 79

5.6 Характеристики оптронов. 83

5.7 Применение. 85

5.8 Оптроны в цифровых схемах. 86

Контрольные вопросы.. 89

6 Волоконно-оптические линии связи. 90

6.1 Оптические волокна и особенности их изготовления. 90

6.2 Основные типы оптического волокна. 91

6.3 Изготовление оптического волокна. 93

6.4 Устройства ввода и вывода излучения в оптические волокна. 94

6.5 Окна прозрачности оптического волокна. 95

6.6 Основные характеристики оптического волокна. 96

6.7 Оптические волокна на принципе фотонного кристалла. 96

Контрольные вопросы.. 100

7 Оптические диски. 101

7.1 Историческая справка. 101

7.2 Классификация дисков. 101

7.4 Кодирование информации. 104

7.5 Структура дисков и принцип записи. 105

8. Голографические диски. 107

9. Магнитооптическая память. 110

10. Флуоресцентные многослойные диски. 113

Контрольные вопросы.. 116


Предисловие

 

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы. Важными направлениями оптоэлектроники также являются волоконно-оптические линии передачи информации, оптическая вычислительная техника, преобразователи энергии, голография, магнитооптика и т.д.

Современная оптоэлектроника характеризуется большим разнообразием серийно выпускаемой продукции: индикаторные компоненты, источники излучения, фотоприемники, оптические волокна и волоконные линии, гибридные приборы и т.д. Новые задачи, поставленные перед современной оптоэлектроникой, привели к формированию фотонно-ориентированной микроэлектроники, которая должна развиваться как комбинация фотоники и электроники, используя достижения каждого направления.

Оптоэлектроника также характеризуется большим разнообразием используемых материалов и технологий. В рамках традиционной оптоэлектроники при создании высокоэффективных оптоэлектронных структур в основном использовались строго упорядоченные монокристаллические материалы. Сегодня технология новых типов оптоэлектронных материалов в первую очередь на основе многокомпонентных соединений А3В5, А2В6. Внимание разработчиков привлекают аморфные гидрогенизированные материалы, а также органические материалы, обладающие большим потенциалом с точки зрения оптоэлектронных применений.

 


Введение

 

Оптоэлектроника является динамично развивающейся областью науки и техники. На развитие оптоэлектроники оказывают влияние научные достижения в области физики твердого тела, квантовой электроники, наноэлектроники, микроэлектроники, фотоники, политроники, оптики, магнитооптики и т.д.

Учебное пособие разработано с целью подготовки специалистов по специальности вычислительная и информационная техника. В учебном пособии рассмотрены перспективные направления, которые объединяет современная оптоэлектроника: источники и приемники излучения, некоторые направления организации памяти (датчики, оптические диски, голография). В первой главе рассмотрена модель оптоэлектронного прибора, определены ее основные элементы. В последующих главах рассмотрены отдельные оптоэлектронные приборы как самостоятельные элементы, системно изложены физические основы процессов, лежащие в основе оптоэлектронных приборов, произведена их классификация, приведены основные конструктивные решения и параметры приборов. Каждая глава содержит краткий исторический раздел, в котором отражены основные этапы развития определенной области.

В каждой главе приведены контрольные вопросы для самопроверки. Последний раздел содержит тесты с контрольными вопросами, которые могут быть использованы для проведения индивидуальных занятий, а также для самостоятельной работы студентов.

Автор не исключает, что первое издание содержит неточности, опечатки и некорректные формулировки.
1 Оптоэлектронные приборы. Общие сведения. Характеристики

 

Традиционно оптоэлектронные приборы (ОЭП) используются при решении самых разнообразных задач: при линейных, угловых измерениях, автоматическом слежении и управлении, исследовании природных ресурсов и окружающей среды, обработке оптических изображений и т.д.

ОЭП называют приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале), а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию. В состав этих приборов входят как оптические, так и электронные звенья, которые выполняют основные функции прибора и не являются вспомогательными устройствами.

Структура многих современных ОЭП достаточно сложна, она включает большое число звеньев – оптические схемы, аналоговые и цифровые преобразователи, микропроцессоры электромеханические узлы, поэтому ОЭП часто называют оптоэлектронными системами ОЭС. На рисунке 1-1 приведена обобщенная структурная схема ОЭП.

Рисунок 1.1 - Обобщенная структурная схема ОЭП

 

Источник излучения создает материальный носитель информации – поток излучения. Источником излучения может быть сам исследуемый объект. Часто источник излучения дополняется передающей оптической системой (фильтрами и модулятором), которая направляет поток излучения на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему. Источник излучения и исследуемый объект имеют собственный фон, шумы, помехи, которые должны быть исключены из полезного сигнала, формируемого приемной оптической системой. В приемной оптической системе выполняется преобразование оптического сигнала, решаются задачи по помехозащищенности и отделении полезного сигнала от сигнала помехи. Приемник излучения регистрирует поток, излучаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, преобразует оптический сигнал в электрический. Электронный и выходной блоки формируют сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий каким-либо требованиям.

Действие ОЭП основано на приеме излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т.е. в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК).

Различают два метода работы ОЭП: активный и пассивный.

При активном методе работы исследуемый или наблюдаемый объект облучается источником электромагнитных волн, параметрами или характеристиками которого может управлять оператор.

При пассивном методе используется собственное излучение наблюдаемого объекта, которое принимает ОЭП.

В общем случае термин “оптоэлектронный прибор” характеризует устройство, в котором имеются элементы, характеризующие генерирование оптического излучения, его передачу и прием. Сейчас к оптоэлектронным устройствам также относят: полупроводниковые приборы и микросхемы, выполняющие функции устройств оптической переработки информации; устройства отображения информации; сканисторы – устройства развертки изображений; единичные преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот – излучатели и фотоприемники.

ОЭП классифицируют на две основные группы:

- для передачи, приема, обработки информации;

- для передачи, приема и использования энергии.

Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств определяется следующими факторами:

- высокая информационная емкость оптического канала связи, обусловленная тем, что частота световых колебаний (1013-1015 Гц) на три – пять порядков больше величины максимальных частот радиотехнического диапазона. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую плотность записи информации в оптических запоминающихся устройствах.

- однонаправленность потока информации и отсутствие обратного влияния приемника на источник;

- идеальная гальваническая развязка входа и выхода; высокая помехозащищенность, отсутствие взаимных наводок.

Система параметров ОЭП может включать в себя эргономические (контраст, отношение контраста), радиометрические (мощность и сила излучения), фотометрические (световой поток и сила света), спектральные (спектральное распределение и длина волны), цветовые (доминирующая длина волны и координаты цветности) и пространственные параметры (диаграмма направленности и угол излучения).

 

Колориметрические параметры

 

Цвет какой-либо отражающей или излучающей поверхности характеризуется цветовым фоном, его насыщенностью (степенью отличия от белого цвета) и яркостью. Первые две величиныопределяют цветность излучения. Количественная оценкацвета заключается в установлении абсолютных значений и относительных соотношений мощностей (или яркостей) трех стандартизованных, узкополосных излучений, которые при совместном воздействии вызывают такое же физиологическое зрительное ощущение, что и данный цвет.

В качестве основных цветов МКО приняты спектрально чистые цвета трех монохроматических излучений красный, зеленый и синий с длинами волн X = 700 нм (красный), Y = 546,1 (зеленый) и Z = 435,8 (синий), которые по мощности находятся в соотношении X : Y :Z = 1 : 0,091 : 0,0138. Любой цвет F определяется основным соотношением колориметрии:

F=x’R+y’G+z’В, (1.1)

где x’, y’ и z— координаты цвета (или цветовые координаты) обусловливающие долю соответствующего цвета.

Более удобной для описания цветов является система, в которой основные цвета X, Y и Z не являются реальными, но позволяют определять цвет с помощью такого же уравнения:

F=x’X+y’Y+z’Z. (1.2)

 

Для характеристики только цветности координаты цвета x’, y', z' заменяются нормированными координатами цветности:

x=x’/(x’+y’+z’), (1.3а)

y=y’/( x’+y’+z’), (1.3б)

z=z’/( x’+y’+z’). (1.3с)

 

Таким образом, цветность F’ цвета F выражается уравнением:

 

F’=xX=yY+zZ. (1.4)

 

Поскольку х + у + z = 1, то независимыми являются только две координаты - (обычно выбирают х и у). Тогда цветность можно представить точкой на плоскости (рисунок 1.2). Как видно, цветность определяется направлением вектора F в цветовом пространстве, а не абсолютной величиной, которая при постоянстве относительного спектрального состава излучения служит для оценивания яркости объекта.

Рисунок 1.2 - График цветности

 

Цветовой тон и насыщенность.

 

Цветовой тон обычно характеризуют доминирующей длиной волны λg, определение которой для данного цвета F очевидно из рисунка 1.2. Цветовой тон также можно описать качественно, наименованием зоны цветового графика, в которой располагается точка цветности F.

Насыщенность цвета характеризует степень, уровень, силу выражения цветового тона и определяется чистотой цвета - относительным значением энергии монохроматического излучения, которое в смеси с белым излучением воспроизводит анализируемый цвет.

На рисунке 1.2 это относительное удаление EF точки F от точки Е на прямой Еλд, EF’/Eλд. Наибольшей насыщенностью обладают спектрально-чистые цвета, наименьшей - ахроматические, серые цвета.

Специфическим понятием являются и дополнительные цвета - два цвета, которые в смеси могут дать белый цвет. На цветовом графике они соответствуют точкам пересечения кривой спектрально-чистых цветов и прямой, проходящей через точку Е.

Кривая спектрально-чистых цветов - незамкнутая кривая линия, соединяющая ее концы, есть линия пурпурных цветностей, получаемых искусственно путем смешения красного и фиолетового цветов. Часть кривой в красно-зеленой области представляет собой практически прямую линию. Это значит, что при любом смешении спектральных цветов из этой области результирующий цвет имеет 100%-ную чистоту. Для получения ненасыщенных зелено-красных цветов обязательно нужна добавка синего цвета. Вообще все многообразие реальных цветов лежит внутри кривой (рисунок 1.2), точки вне кривой характеризуют нереальные цвета.

Следует отметить, что координаты цветности могут быть вычислены, если известна спектральная характеристика источника излучения р(Х). Упомянутые величины связаны таким образом:

(1.5а)

(1.5б)

(1.5с)

 

Зависимости x’(λ), y’(λ), z’(λ) получены экспериментально и приняты МКО в качестве цветовых характеристик для стандартного наблюдателя. По координатам цвета определяются координаты цветности в системе МКО 1931 г.

Контрольные вопросы

1. Опишите обобщенную структурную схему ОЭП, поясните назначение каждого блока схемы.

2. Факторы, определяющие достоинства ОЭП?

 


Источники излучения

Инжекционные светодиоды

 

Инжекционные светодиоды также относятся к электролюминесцентным источникам света, которые в отличие от электролюминесцентных конденсаторов являются токовыми приборами, питать и управлять которыми необходимо с помощью источников тока.

Принцип работы излучающих светодиодов основан на излучательной рекомбинации в объеме активной области р-n–перехода, которая наблюдается при смещении перехода в прямом направлении.

При инжекции неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения p-n-переход испускает электромагнитные волны в видимом и инфракрасном диапазоне. Светодиод представляет собой многослойную полупроводниковую структуру (рисунок 2.2), в которой индуцируемое при прохождении тока через р-n-переход некогерентное излучение распространяется во всех направлениях. Обычно используют излучение, выходящее ортогонально p-n- переходу, т.е. в активной зоне.

 

Рисунок 2.2 - Структура светодиода

 

Прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Состояние полупроводника характеризуется наличием в зоне проводимости значительного количества электронов, а в валентной зоне - большого количества дырок, не является достаточно устойчивым, и поэтому наблюдается непрерывный переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. Рекомбинация происходит в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами Ln и Lp. Этот процесс в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры (ловушки), расположенные вблизи середины запрещенной зоны, и является безызлучательным. В процессе каждой такой рекомбинации выделяется энергия в виде тепловой энергии (фонона), которая передается атомам решетки. Процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света – фотона, когдапереход из зоны проводимости в валентную зону относится к числу переходов типа зона - зона. При этом примесные центры не играют существенной роли и при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное свечение люминесценции. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону (рисунок 2.3). При этом следует отметить, что фотоны с энергией, большей ∆Е + 2∂Е, в основном поглощаются, переведя электроны из валентной зоны в зону проводимости.

 

Рисунок 2.3 - Энергетическая диаграмма, поясняющая механизм действия инжекционного светодиода:

I— зона проводимости; II— запрещенная зона; III— валентная зона

 

Следовательно, излучение возможно только в узком диапазоне частот, соответствующем энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра, обусловленной ∂Е. В современных светодиодах широко используются полупроводники, вкоторых в создании излучения существенную роль играют примесные центры. По существу, это ловушки, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне. Возможны следующие механизмы излучательной рекомбинации: носитель заряда захватывается своим примесным центром (электрон - акцепторным, дырка - донорным), а затем он рекомбинирует со свободным носителем заряда противоположного знака; электрон и дырка захватываются примесным центром, так что зона вблизи его оказывается в возбужденном состоянии (образуется связанный экситон), после чего осуществляется рекомбинация и пр.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p-n-переходом. При этом для получения приемлемых значений необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через переход (не менее 30 А/см2).

 

Параметры и характеристики светодиодов:

Сила света Iv - световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении; выражается в канделах (обычно 0,1...10 мкд).

Цвет свечения или длина волны излучения λизл.

Постоянное прямое напряжение Uп - падение напряжения при заданном токе (2...4 В).

Угол излучения α - плоский угол, в пределах которого сила света составляет не менее половины ее максимального значения.

Так как полупроводник покидает часть фотонов, остальные же сначала отражаются от поверхности, а затем поглощаются в объеме полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения. Внешней квантовой эффективностью излучения, или квантовым выходом, называется отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных зарядов, инжектированных через p-n-переход. Обычно значение квантового выхода составляет 0,1...30%.

Излучение светодиодов складывается из волн, посылаемых спонтанно рекомбинируемыми частицами независимо друг от друга, и вследствие этого имеет хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны. Источник генерирует естественное излучение, обладающее довольно широким спектром с типичным значением ∆λ=30 нм (рисунок 2.4,а).

Основная характеристика инжекционного светодиода - люкс-амперная (рисунок 2.4,б). Она имеет нелинейный начальный участок, характеризуемый низкими выходными яркостями, и практически линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в 10...100 раз. Этот участок чаще всего и используется в качестве рабочего. При токе I≈100 мА мощность излучения светодиода составляет единицы ватт.

Рисунок 2.4 – Характеристики светодиода:

а) спектральная, б) люкс-амперная,

в) вольтамперная

 

Вольтамперная характеристика светодиодов (рисунок 2.4,в), определяющая их электрические параметры, является характеристикой полупроводникового диода, на рабочем участке при u>U ее можно заменить линейной зависимостью uU+ri с наклоном r ≈ 1…10 Ом. Это приводит к линейной управляющей характеристике светодиода на рабочем участке.

Цвет свечения светодиода зависит от материала светодиодов и состава легирующих примесей. В качестве его используют арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. В настоящее время светодиоды различных типов позволяют перекрыть диапазон длин волн излучения от 366 до 950 нм и более. Примесные центры из ZnO обеспечивают получение красного свечения, из азота N - зеленое, из ZnO и N - желтое и оранжевое и т. д.

Возможно создание светодиодов, которые в зависимости от их включения или режима работы будут излучать в различных областях спектра и иметь управляемый цвет свечения. При этом используются или зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока р-n-перехода, или смешение излучений двух светодиодов, имеющих свечение разного цвета.

В первом случае изменение цвета происходит из-за того, что в составе излучения р-n-перехода имеется несколько световых полос, яркость которых неодинаково изменяется при изменениях протекающего тока. При их смешивании получается результирующее излучение, цвет которого зависит от значений яркости отдельных полос.

Во втором случае, который получил преимущественное распространение, используются двухпереходные структуры GaP (рисунок 2.5,а). На кристалле фосфида галлия созданы два p-n-перехода. Примеси подобраны так, что один p-n-переход излучает свет красного, а другой зеленого цвета. При их смешивании получается желтый цвет. В структуре имеется три вывода, что позволяет через каждый p-n-переход пропустить свое значение тока (рисунок 2.5,б). Изменяя токи переходов, удается менять цвет излучения от желто-зеленого до красно-желтого оттенка, а также получить чистые красный и зеленый цвета.

 

Рисунок 2.5 - а) Структура светодиода с управляемым цветом свечения;

б) его принципиальная схема

 

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные (сверхяркие) диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке вольт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление (стимулированное излучение). Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока (при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА/см2). Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

Для светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.

 

Лазеры

 

В ряде случаев в качестве управляемых источников, света применяют инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие.

Слово лазер происходит от английского laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света вынужденным излучением). Если во всех традиционных источниках света используется спонтанное излучение системы возбужденных атомов, то в лазерах все атомы когерентно излучают кванты света, тождественно равные между собой по частоте, направлению распространения и поляризации.

Эйнштейн открыл явление вынужденного излучения более 90 лет назад, однако лазеры появились не сразу, а только тогда, когда стало ясно, что любой усилитель в радиоэлектронике входит в режим генерации, если в системе создается положительная обратная связь.

В тот момент, когда впервые догадались поместить возбужденную квантовую систему с инверсной населенностью уровней в резонатор Фабри-Перо, создающий положительную обратную связь в системе, родился лазер. Первый лазер был создан в 1960 году. В качестве активного вещества использовался кристалл рубина.

 

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер представляет собой лазер на основе полупроводниковой активной среды, в которой используются квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используются квантовые переходы между дискретными уровнями энергии.

Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в р-область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того, чтобы инжекция электронов в р-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безызлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в р-области. Таким образом, для получения состояния с инверсией населенностей в р-области необходима высокая степень легирования примесями обеих областей р-n-перехода.

В соответствии с зонной теорией полупроводников, при поглощении фотона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны, происходит переброс электрона из валентной зоны Ев в зону проводимости Ес (рисунок 2.9,а). При этом в валентной зоне образуется дырка.

 

 

Рисунок 2.9 - Процесс взаимодействия полупроводника с квантами света:

а - образование электронно-дырочной пары; б - спонтанная рекомбинация, сопровождаемая излучением фотона; в - вынужденная рекомбинация электрона и дырки

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит процесс спонтанного излучения (рисунок 2-9,б).

В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (рисунок 2.9,в). Для создания условий усиления света необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие. С этой целью увеличивается концентрация электронов у дна зоны проводимости и дырок у потолка валентной зоны.

Обозначим наивысший уровень энергии, до которого электроны плотно заполняют зону проводимости, величиной μэ. Чем больше электронов упаковано в дно зоны проводимости, тем выше этот уровень μэ.

Аналогично в валентной зоне существует уровень μд. Если одновременно вырождены электроны и дырки, то:

μэ - μд ≥ Еg (2.4)

При таких условиях электроны могут рекомбинировать только с теми дырками, которые лежат выше μg. В свою очередь, электроны могут быть заброшены в зону проводимости только на уровни выше μэ, потому как остальные уровни уже плотно упакованы. В этом случае возможны переходы в интервале частот:

μэ - μд = hνmax, (2.5)

или:

Есv= Еg = hνmin (2.6)

и полупроводник может усиливать и генерировать свет в полосе частот:

∆ν = νmах – νmin. (2.7)

Стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора.

Если поместить такой полупроводник в резонатор Фабри-Перо и создать положительную обратную связь, то при каждом проходе резонатора в полупроводнике полоса частот будет сужаться. Усиление в полосе частот ∆ν неодинаково. Существует частота максимального усиления, которая лежит в диапазоне ∆ν, и именно на ней происходит максимальное усиление и формируется монохроматическое излучение.

Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму. Угол расходимости светового пучка около 20...50*.

Различают прямые и непрямые переходы.

Если рекомбинация электронно-дырочной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимости на незаполненный уровень в валентной зоне называется прямым.

Если рекомбинация электронно-дырочной пары сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход называется непрямым. В этом случае колебания решетки поглощают часть импульса ∆р и, соответственно, энергию ∆Е.

В этом случае уравнение инверсии населенностей для невырожденного электронно-дырочного газа записывается в вид:

 

μэ - μд = Еg+ ∆Е. (2.8)

 

Создать в чистых полупроводниках состояние с одновременным вырождением электронов и дырок трудно. Обычно используют два полупроводника п- и р- типов, в каждом из которых электроны и дырки вырождены. В р-n -переходе может выполняться условие инверсии населенностей μэ - μд ≥ Eg только при условии прямого напряжения. Через р- n-переход потекут токи, состоящие из электронов и дырок.

В тонком слое р—п - перехода они рекомбинируют, излучая фотоны:

 

hν = Еg < μэ - μд . (2.9)

 

Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в р-n - переходе концентрацию, достаточную для их вырождения. Чем выше электрическое поле в р-n - переходе, тем больший ток через него протекает. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает поглощение, называется пороговым.

При токе инжекции, менее порогового значения Iпор, наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном светодиоде. При увеличении тока до Iпор (более 50... 150 мА) и выше возникает стимулированное излучение и наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности, например с 5 мкВт/мА, характерной для спонтанного излучения, до 200 мкВт/мА.

При токе выше порогового р- n-переход является усиливающей средой. Если ввести положительную обратную связь в виде резонатора, то из усилителя света можно получить генератор. В качестве резонатора используются гладкие грани полупроводникового кристалла.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход, называют инжеционным лазером.

Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют получить высокую направленность излучения. Состояние инверсии населенности уровней может достигаться электронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.

Наилучший эффект генерации получен на прямозонных полупроводниках, среди которых ряды изоморфных твердых растворов типа AIIBVI, AIIIBVI, AIIIBV, AIVBVI и т. п.

Особый интерес вызывают материалы, составляющие изопериодические пары. Это кристаллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. С их помощью методами электроннолучевой эпитаксии выращиваются бездефектные гетеропереходы. Широкое распространение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате излучательной рекомбинации в гетероструктуре, называют гетеролазером.

Наиболее эффективными оказались полупроводники типа AIIIBV с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Лучшие параметры имеет гетеролазер на основе двойной гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению областей инверсной заселенности и светового поля. В таких лазерах уже при малом токе накачки можно получить устойчивую генерацию. Резонатором служат грани кристалла, но можно использовать и внешние оптические резонаторы.

На рисунке 2.10 приведена структура гетеролазера на основе арсенида галлия с двухсторонней гетероструктурой типа n(А1,Ga)As-pGaAs-p(Al,Ga)As с резонатором в виде сколотых граней кристалла. Две боковые противоположные грани кристалла, перпендикулярные плоскости перехода, выполняют параллельными и полируют с оптической точностью. Они представляют собой отражающие поверхности открытого резонатора. Чаще всего отражающие поверхности получают путем скола кристалла вдоль кристаллографической плоскости, что обеспечивает идеально ровные и одновременно параллельные поверхности. Вследствие высокого показателя преломления большинства полупроводников, используемых в лазерах (например, у GaAs n = 3,6) поверхность полупроводник - воздух имеет довольно значительный коэффициент отражения, который оказывается достаточным для выполнения условия возбуждения.

 

Рисунок 2.10 - Структура ДГС гетеролазера

 

Двойная гетероструктура этих лазеров состоит из тонкого слоя (толщиной около микрона) арсенида галлия р-типа, заключенного между р- и n-областями раствора Alx Ga1-xAs, имеющего более широкую запрещенную зону.

На рисунке 2.11 приведена упрощенная энергетическая зонная диаграмма двойной гетероструктуры в отсутствие напряжения (рисунок 2.11,а) и с внешним напряжением (рисунок 2.11,6), приложенным в прямом направлении. Приложенное к гетеропереходу напряжение приводит к инжекции электронов из широкозонного n-полупроводника (Al, Ga)As) в область pGaAs, где образуется инверсия населенностей.

Особенностью рассматриваемой гетероструктуры является возможность осуществления режима суперинжекции. Для этого режима характерно то, что плотность инжектируемых в узкозонный активный материал pGaAsэлектронов превышает их равновесную концентрацию в широкозонном эмиттере (кристалле р(Al,Ga)As). Суперинжекция создается при напряжениях, близких и больших контактной разности потенциалов пары полупроводников pGaAs-n(Al, Ga)As, когда потенциальный барьер для электронов исчезает.

Увеличению инверсии в активном слое pGaAs двойной гетероструктуры способствует так называемое электронное ограничение. Оно состоит в том, что инжектируемые в pGaAs электроны не могут диффундировать в сос



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.