Выполнил студент группы 21302 Беляков Дмитрий.. Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый прибор (p-n переход), излучающий кванты. - презентация

1 Выполнил студент группы Беляков Дмитрий.

2 Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый прибор (p-n переход), излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на две группы: с излучением в видимой части спектра (светодиода) и инфракрасной - диоды ИК-излучения. Светодиоды выпускаются красного (GaP : ZnO, GaAs 0,6 P 0,4 ), оранжевого (GaAs 0,35 P 0,65 ), зеленого (GaP), желтого (GaAs 0,14 P 0,86 ), голубого (GaAs - ErYb, SiC), фиолетового (GaN) цветов свечения, а также с переменным цветом свечения. Последние имеют два электронно-дырочных перехода. Общий свет свечения зависит от соотношения токов, протекающих через эти переходы. Светодиоды чаще всего используют как индикаторные устройства. Поскольку глаз чувствителен только к свету с энергией hv~1.8 эВ (~0.7 мкм), то полупроводники, которые могут быть использованы для создания светодиодов видимого диапазона, должны иметь ширину запрещённой зоны больше этого значения. На практике наибольший интерес представляет GaAs (1-x) P x. Светодиоды

3 На рис. приведена зависимость запрещенной от волнового вектора для нескольких значений х, из которой следует, что зона проводимости имеет два минимума. Те минимумы, которые расположены в точке Г, являются прямыми, тогда как другие, расположенные на оси х, непрямые.

4 Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном p-n переходе

5 Конструкции светодиодов. Среди светодиодных структур основной является структура с плоской геометрией (см. рис.). Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) – на подложках GaP (б). Переходная область ограничивает образование безизлучательных 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.

6 Полная эффективность преобразования электрического сигнала в оптический даётся следующим выражением:

7 На рис. показаны поперечные разрезы других светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усечённую сферическую геометрию. 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 на порядок.

8 Инфракрасные светодиоды 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. Он обладает наибольшей эффективностью электролюминесценции в основном 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. Светодиоды по сравнению с лазерами имеют как преимущества, так и недостатки. К последним относятся меньшая яркость, более низкие частоты модуляции и большая спектральная ширина линии излучения, типичное значение которой составляет ангстрем, тогда как лазеры характеризуются шириной линии 0,1-1 ангстрем.

9 Различают два основных типа светодиодов, обеспечивающих ввод излучения в оптические волокна малого диаметра: светодиоды с излучающей поверхностью и с излучающей гранью.

10 Важным параметром, который должен учитываться при конструировании светодиодов для оптических систем связи, является диапазон рабочих частот. При внешнем возбуждении скорость полной излучательной рекомбинации определяется выражением: R r = Bnp где В-константа излучательной рекомбинации, равная G/n 0 p 0 (G-скорость полной термической генерации). При достаточно низких уровнях возбуждения, таких, что в материале р-типа р примерно равно р 0, время жизни излучательной рекомбинации становится равным: а для материала n-типа, когда n примерно равно n 0 : Предельная частота светодиода Экспериментально показано, что предельная частота возрастает с концентрацией р 0. Для достижения высоких значений f необходимо уменьшать толщину рекомбинационной области и увеличивать концентрацию носителей

11 Полупроводниковые лазеры Полупроводниковые лазеры, подобно другим лазерам (таким, как рубиновый лазер или же лазер на смеси He - Ne), испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени. Это означает, что излучение лазера высоко монохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковые лазеры существенно отличаются от лазеров других типов.

12 1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала. 2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера. 3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависит от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления). 4. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах.

13 Диапазон длин волн лазерного излучения охватывает область спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. В интервале длин волн вблизи 0,9 мкм в качестве источников излучения используется гетеролазеры на основе GaAs- Al(x)Ga(1-x)As. Вблизи длины волны 1,3 мкм в ВОЛС волокно имеет низкие потери (0.6 ДБ/км) и слабую дисперсию, а в окрестности длины волны 1,55 мкм потери достигают минимального значения (0,2 дБ/км), поэтому в качестве источников излучения могут использоваться лазеры на основе Ga(x)In(1-x)As(y)P(1-y)-InP.

14 Стимулированное излучение. Работа лазера связана с тремя основными процессами, обусловленными переходом носителей: поглощения, спонтанной эмиссии и стимулированным излучением. Рассмотрим два энергетических уровня E1 и Е2, один из которых Е1 характеризует основное, а другой Е2 - возбужденное состояние

15 Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой ν 12, определяемой из соотношения hν 12 =E2-E1. При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hν 12. Атом в состоянии E1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е2. 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 hν 12 (спонтанная эмиссия). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах с, в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или не прямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией hν 12, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν 12 и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).

16 На рис. 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 испускает монохроматичный строго направленный луч света.

17 Для изготовления лазеров используют полупроводники с прямыми зонами, например GaAs или GaAlAs, в которых возможны переходы электронов без участия фотонов. Создание инверсной заселённости уровней происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче достигается в гетеропереходах (гомопереходы - p - n - переходы, созданные в одном и том же веществе, гетеропереходы получают между p - и n - областями материалов с различной шириной запрещённой зоны, что даёт, например, многоступенчатую форму p - n - перехода), изготовленных на основе материалов с высокой концентрацией примесей. Усиление света происходит только вдоль направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области p - n - перехода через полупрозрачную отражающую поверхность выходит узкий луч когерентного излучения.

18 В качестве материала, инжектирующего электроны (вместо n - GaAs) может быть использован более широкозонный (рис.). В этом случае активный слой GaAs p - типа располагается между двумя широкозонными полупроводниками p - GaAlAs и n - GaAlAs, которые обладают более низким коэффициентом преломления. Это приводит к усилению отражения света от боковых слоёв и, следовательно, к уменьшению потерь света. Мощность излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет около 0.1 Вт. В случае импульсного возбуждения мощность может быть значительно повышена, т.к. нагрев прибора будет ослаблен. КПД инжекционных лазеров достигает 50%, инерционность составляет c, напряжение питания не превышает 3В, а размеры нескольких мм. Модуляция светового тока может осуществляться изменением напряжения.

19 Через p - n - переход инжектируются электроны из n - области I в активную область II (толщиной ~ 1мкм), где происходит излучение фотонов с энергией hv=1.4эВ. Переход типа p - p+, т.е. несимметрично легированная область, между p - областью II и областью III создаёт барьер для электронов, попавших в активную II, и способствует накоплению электронов в этой области. Лазерный эффект достигается при определённых пороговых значениях тока через переход (примерно при 300K). Начиная с этих значений тока спектральная полоса излучения значительно сужается. Для уменьшения рабочих токов и ослабления нагрева активный слой часто сокращают до полоски шириной мкм, идущей от одной отражающей поверхности до другой. Этого достигают применением узкого металлического электрода (верхнего на рис.). У подобных устройств снижается как пороговый ток (примерно до 100 мА при комнатной температуре), так и инерционность вследствие уменьшения ёмкости переходов.

20 Наиболее легко и эффективно инверсия населенности достигается в p-n-переходах за счет инжекции электронов. Известно, что в сильнолегированных (вырожденных) полупроводниках, когда одному и тому же значению энергии соответствуют различные электронные или дырочные состояния, в p- и n-областях уровни Ферми находятся в пределах разрешенных зон и при тепловом равновесии эти уровни для электронов и дырок совпадают (рис.а).

21 В области p-n-перехода образуется потенциальный барьер, не позволяющий переходить основным носителям из зоны в зону. Если же к переходу приложить напряжение U в прямом направлении, то потенциальный барьер в области p-n-перехода уменьшается на значение энергии, соответствующей этому напряжению. Как правило, это напряжение оказывается приложенным к переходу, вследствие чего равновесие носителей тока нарушается. Если при тепловом равновесии распределение электронов и дырок можно было описать с помощью квазиуровня Ферми, то при наличии приложенного электрического поля заполнение состояний нужно рассматривать отдельно для зоны проводимости и отдельно для валентной зоны. При включении прямого смещения возникает диффузионный поток электронов через p-n-переход, который стремится поднять квазиуровень Ферми Fn для электронов в p-n-области до его уровня в n-области.

22 Инжектированные электроны после диффундирования на небольшое расстояние, определяемое диффузионной длинной, рекомбинируют с дырками; в результате возникает стационарное состояние, при котором скорость рекомбинации электронов в точности сбалансирована скоростью их инжекции. Совершенно аналогичны рассуждения и для дырок в валентной зоне. При наличии стационарного состояния положение квазиуровней Ферми для двух типов носителей в области перехода меняется (рис. б). Основные носители вытягиваются из контакта, чтобы обеспечить условие нейтральности. В настоящее время лазерные диоды в основном изготовляют из GaAs или Ga 1-x Al x As. Структура лазерного диода на p-n- переходе представлена на рис.

23 Оптоэлектроника Системы записи и считывания информации. Считывающие головки в компакт-дисковых системах, оптические диски для ПЗУ и ОЗУ. Волоконно-оптическая связь (GaAs). В будущем, будет использован лазер на четверном сплаве InGaAsP с большим сроком службы (около 5×10 5 часов). Ультраширокополосный полупроводниковый лазер (Bell Labs). Оптические коммуникации. Чувствительные химические детекторы. Анализаторы дыхания и загрязнения атмосферы. Каскадные лазеры.

24 Спасибо за просмотр.