19306

Полупроводниковые светодиоды и лазеры

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Содержание лекции. Полупроводниковые лазеры. По своей сущности полупроводниковые лазеры подразделяются на два основных типа: инжекционные; неинжекционные. Инжекционные лазеры. Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэле...

Русский

2013-07-11

156.5 KB

52 чел.

Содержание лекции

1. Полупроводниковые лазеры.

По своей сущности полупроводниковые лазеры подразделяются на два основных типа:

- инжекционные;

- неинжекционные.

1.1Инжекционные лазеры.

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэлектродный  прибор с р-n-переходом (поэтому часто как равноправный используется термин лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через р-n-переход (рис.1).

Для обеспечения генерации инжекционного лазера необходимо выполнение всех тех же условий, которые характерны для любого лазера.

Прежде всего, необходима активная среда, способная обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения. В данном случае это прямозонные вырожденные полупроводники  и их твердые растворы. (Полупроводники называются  вырожденными, в случае если процессы вынужденного испускания света будут преобладать над процессами поглощения).

Второе условие лазерной генерации состоит в использовании механизма возбуждения активной среды (накачки), создающего инверсию населенности энергетических уровней полупроводника. В данном случае это инжекция носителей заряда р-n-перехода. При некотором смещении реализуется условие инверсии населенности: вблизи р-n-перехода концентрация электронов на более высоких уровнях оказывается выше, чем на более низких. В этом случае полупроводник подготовлен для усиления излучения. Физически это объясняется тем, что электромагнитная волна по мере распространения по кристаллу больше приобретает энергии (из-за стимулированных переходов с верхних уровней на нижние), чем отдает (вследствие поглощения). Для того чтобы в прямозонном  полупроводнике имело место усиление изучения с частотой , энергетический зазор между квазиуровнями Ферми для электронов и дырок должен превышать ширину запрещенной зоны (рис.2), т.е.

-,                                                              (1)

где    - энергия квазиуровня Ферми для электронов;

- энергия квазиуровня Ферми для дырок;

- энергия кванта (электромагнитного излучения –волны);

- ширина запрещенной зоны.

Лишь при выполнении этого неравенства при распространении волны  могут индуцироваться переходы электронов "вниз" из заполненных состояний зоны проводимости в незаполненные состояния валентной зоны. Условие реализуется только в вырожденных полупроводниках либо в гетероструктурах.

Для того чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо выполнить третье условие – создать положительную обратную связь, т.е. часть усиленного выходного сигнала возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы, типичным среди которых является резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал и обеспечивающий многократные прохождения волны через активное вещество, расположенное между этими зеркалами. Для вывода изучения одно из зеркал делается полупрозрачным. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняет параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола.

Четвертое условие заключается в обеспечении электрического, электронного и оптического ограничений. Суть электронного ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение – это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде, принятие мер против их "распыления" в пассивной области. Оптическое ограничение призвано предотвратить "растекание" светового луча при его многократных переходах через кристалл, "удержание" лазерного луча в активной среде. В полупроводниковых лазерах это достигается тем, что зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла – возникает волноводный эффект самофокусировки луча. Неодинаковость показателей  преломления достигается различием в  характере и степени легирования зон кристалла, включая и использование гетероструктур. Границы оптического канала лазера не обязательно должны совпадать с границами области электронного ограничения.

Пятое условие существования лазерной генерации состоит в превышении некоторого порога возбуждения. Действительно, создание в активной среде инверсной населенности, обеспечение положительной обратной связи с помощью оптического резонатора определяют энергетические предпосылки необходимые для возникновения лазерного эффекта, но отнюдь не достаточные. Имеются такие "мешающие" факторы, как поглощение в среде затрата части подводимой энергии на бесполезный разогрев кристалла, краевые эффекты, не идеальность зеркал резонатора, спонтанные излучательные и безызлучательные переходы. Необходимость восполнить эти потери и обуславливает наличие порога лазерной генерации.

Итак, для устройства и работы лазера характерны: активная среда, механизм эффективной накачки активной среды; оптический резонатор, электрическая, электронная и оптическое ограничение соответствующих зон возбуждения и возбуждение, превышающее некоторый порог.

Принципиальная особенность инжекционного лазера заключается в конструктивно-технологической интеграции всех перечисленных в данном разделе моментов. Это выделяет его среди лазера других типов и определяет доминирующую роль в  оптоэлектронике.

1.2 Неинжекционные лазеры.

Неинжекционные лазеры реализуются на базе беспримесных (чистых) и примесных полупроводниках (p-n-переход отсутствует).

Беспримесные полупроводники.

В беспримесных полупроводниках квантовые переходы электронов происходят между валентной зоной и зоной проводимости. Число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне одинаково. Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх можно рассматривать как генерацию электронно-дырочных пар. При этом электрон в зоне проводимости стремится опуститься к нижнему краю зоны, а дырка – к верхнему краю валентной зоны. При переходе электрона в валентную зону происходит соединение (рекомбинация) электрона и дырки.

При облучении полупроводника светом такой частоты, чтобы энергия фотонов была равна  или чуть больше ширины запрещенной зоны, фотоны с некоторой вероятностью  поглощаются электронами находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. Последние  переходят в зону проводимости. С такой же вероятностью фотон может вызвать переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. В результате образуется еще один (вторичный) фотон. В первом случае речь идет о поглощении света, а во втором – о вынужденном испускании света.

Примесные полупроводники.

В энергетической схеме примесным атомам соответствует примесный энергетический уровень, расположенный внутри запрещенной зоны: для донорной примеси он расположен вблизи дна зоны проводимости (ри.3. а –полупроводник n-типа), для акцепторной – вблизи верхнего края валентной зоны (рис.3.б - полупроводник p-типа).

Еn = 0,01 эВ, т.е. примерно в 100 раз меньше ширины запрещенной зоны  Е. Следовательно, уже слабое повышение температуры приведет к переходу частиц с примесного уровня.

Как в случае беспримесных, так и в случае примесных полупроводников, чтобы полупроводник мог усиливать излучение, надо создать инверсию, т.е. добиться большей концентрации электронов вблизи нижнего края зоны проводимости по сравнению с верхним краем валентной зоны (в случае примесных полупроводников это сделать легче).

Инверсию  можно создать оптической или электронной накачкой.

В случае электронной накачки инверсия населенности в полупроводнике создается при воздействии на него потока электронов высокой энергии (20….200 кэВ). Такие электроны проникают в глубь полупроводника на десятки микрометров, ионизируя на своем пути атомы кристаллической решетки. Образующиеся свободные электроны занимают высокие уровни в зоне проводимости, далекие от ее  дна;  энергия  таких электронов обычно около 3. Эти электроны, "остывая", тратят излишнюю энергию в основном на разогрев кристалла, поэтому теоретический предельный КПД энергетического преобразования "электронный луч – излучение" не может превысить 30-40%.

Конструктивно лазер выполняется в виде электронно-лучевой трубки с экраном-мишенью из выбранного полупроводника. По характеру взаимной ориентации электронного и светового лучей различают приборы с поперечной и продольной накачкой; в первых мишень представляет собой монокристалл, боковые грани которого образуют резонатор; во вторых  это тонкая  полупроводниковая пленка, состыкованная с внешним полупрозрачным зеркалом.

Лазеры с продольной накачкой позволяют улучшить теплоотвод и увеличить рабочий объем полупроводника.

По сравнению с инжекционными лазеры с электронной накачкой обладают рядом важных преимуществ.

1. Значительно более высокая выходная мощность (особенно в импульсном режиме), т.к. объем возбужденной области в 100-1000 раз больше, чем, например, у инжекционных лазеров с двойной гетероструктурой.

2. Возможность лазерной генерации практически на любых прямозонных полупроводниках, в том числе и на таких, которые не удается получить в виде монокристаллов и в которых не удается изготовить р-n-переход.

3. Использование таких важнейших достоинств электронного луча, как простота двухкоординатного высокоскоростного сканирования и высокочастотная модуляция.

По сравнению с обычными электронно-лучевыми трубками лазеры с электронным возбуждением благодаря большому КПД и меньшей угловой расходимости генерируемых лучей имеют значительно большую яркость, достигающую 10 кд/м. Эти приборы, обычно называемые квантоскопами, применяются в проекционных дисплеях и перспективны для использования в системах телевидения высокой четкости на большом экране.

2. Принцип  действия и конструкция светоизлучающих диодов.

Полупроводниковый светодиод (СИД) - это излучающий полупроводниковый прибор с одним или несколькими переходами, предназначенный для преобразования  электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения при прохождении через него прямого тока.

Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода. Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации:

    - межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона - зона);

     -рекомбинация электронов и дырок в составе экситонов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках.

Принцип работы светодиодов заключается в следующем.

При прямом напряжении  в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например,  если концентрация электронов в р-области больше, чем концентрация дырок в n -области, т. е.  nn > рр,  то происходит инжекция электронов  из n-области в p-область. Инжектированные электроны рекомбинируют с основными носителями  базовой области, в данном случае с дырками  p-области. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны, при этом выделяется фотон, с энергией равной ширине запрещенной зоны, т. е.

где        - энергия кванта излучения;

  - ширина запрещенной зоны.

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны  (в электрон-вольтах), необходимую для излучения с той или иной длиной волны (в микрометрах);



Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь > 1,7 эВ.

Германий  и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как имеют слишком узкую запрещенную зону.

Для современных светодиодов видимого свечения применяют главным образом  фосфид галлия GаР  и карбид кремния SiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GаАlАs) или галлия, мышьяка и фосфора (GаАsР) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного (ИК) излучения, изготавливаемые преимущественно из арсенида галлия GаАs. ИК-светодиоды применяются в фотореле, различных датчиках  и входят в состав некоторых оптронов.

Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами, один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой - в зеленой.  Цвет свечения такого диода зависит от соотношения токов через переходы.

По конструкции светодиоды подразделяются на:

- планарные (рис.4.а);

- с полусферической базой (рис.4.б);

- плоскостные с полусферическим покрытием (рис.4.в)

Светодиоды конструируют таким образом, чтобы наружу выходил возможно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл-воздух.

Конструктивно светодиоды выполняются в металлических  корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение, или в прозрачном  пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются  также бескорпусные диоды. Масса диода составляет сотые доли грамма и более.

Светодиоды могут являться основой более сложных приборов. В частности, линейная светодиодная шкала представляет собой интегральную микросхему, состоящую из последовательно размещенных светодиодных структур (сегментов), число которых может быть от 5 до 100. Такие линейные шкалы могут заменять щитовые измерительные приборы и служат для отображения непрерывно изменяющейся  информации.

Цифробуквенный светодиодный индикатор также сделан в виде интегральной микросхемы из нескольких светодиодных структур (сегментов), расположенных так, чтобы при соответствующих комбинациях светящихся сегментов получалось изображение  цифры или буквы. Одноразрядные индикаторы позволяют воспроизвести  одну цифру от 0 до 9 или некоторые буквы. Многоразрядные индикаторы воспроизводят одновременно несколько знаков. У большинства индикаторов сегменты  имеют вид полосок (обычно 7 для каждого разряда). Выпускаются также матричные индикаторы, имеющие 35 точечных светодиодных элементов, из которых синтезируются любые знаки.

3.Параметры и характеристики  СИД.

ПАРАМЕТРЫ СВЕТОДИОДОВ.

К основным параметрам светодиодов относятся:

1. Постоянное прямое напряжение  Uпр (2-3 В).

2. Максимальный допустимый постоянный прямой ток Iпр. Обычно он составляет десятки миллиампер.

3. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение Uобр (единицы вольт).

4. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (от -60 до +70°С).

Различают параметры СИД визуального и СИД невидимого приема (ИК излучения).

К параметрам СИД визуального приема относятся:

1. Сила света IV, измеряемая в канделах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел.

2. Яркость L, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности.  Она составляет десятки - сотни кандел на квадратный сантиметр.

3. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.

К параметрам СИД невидимого  приема относятся:

1. Мощность излучения Ризл.

2. Импульсная мощность излучения Ри.изл.

3. Ширина спектра излучения   (в пределах которой Ризл.  уменьшается в 2 раза)

4. Время нарастания импульса излучения  tнар. (Ризл. изменяется от 0,1 до 0,9  максимальной).

5.Время спада импульса излучения  tсп. (Ризл. изменяется от 0,9 до 0,1 от максимальной).

6. Скважность Q – отношение периода к длительности импульса.

Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются. Быстродействие у светодиодов хорошее. Свечение возрастает до максимума в течение примерно 10-8 с после подачи на диод импульса прямого тока.

ХАРАКТЕРИСТИКИ  СИД.

Общей характеристикой для СИД является:

Характеристика направленности (рис.5) определяющая величину интенсивности излучения от направления излучения.

К характеристикам СИД визуального приема относятся:

1. Яркостная характеристика (рис.6.а) дает зависимость яркости излучения от величины прямого тока. 

2.Спектральная характеристика (рис.6.б) показывает нормированную зависимость потока света от длины волны.

К характеристикам СИД невидимого приема относятся:

1.Спектральная характеристика (рис.7.а) показывает нормированную зависимость мощности излучения от длины волны.

2. Ватт-амперная  характеристика (рис.7.б) дает зависимость мощности излучения от величины прямого тока.

Заключение.

Уточнить понятие


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50537. Проект базы данных по учету данных физических и юридических лиц с использованием Microsoft Access 563.5 KB
  В качестве инструмента построения базы данных использован Microsoft ccess. Вот только некоторые из преимуществ использования вычислительной техники при работе с какими – либо данными документами: возможность оперативного контроля за достоверностью информации уменьшается число возможных ошибок при генерировании производных данных; сразу после ввода данные могут участвовать в различных операциях; возможность быстрого получения необходимых отчетов; существенная экономия времени и людских ресурсов при выполнении операций связанных с...
50538. ПРИБОР РЕГИСТРИРУЮЩИЙ ДИСК 250М 3.64 MB
  Кроме того можно заказать комплект принципиальных электрических схем прибора по форме: Комплект схем прибора регистрирующего ДИСК 250М. Для подключения прибора к компьютеру можно дополнительно заказать преобразователь интерфейсов ND6520. Таблица 1 Исполнения приборов Обозначение исполнения прибора Функциональные особенности исполнения 10 регистрация; цифровая индикация результата измерения источник питания внешних датчиков. Возможна работа прибора с узлом внешней термокомпенсации блоком соединительным выпускаемым на заводе и...
50540. Подготовка лечебно-профилактических учреждений к работе в чрезвычайных ситуациях 187 KB
  Изучить основные мероприятия, направленные на повышение устойчивости работы лечебно-профилактических учреждений в условиях возможных чрезвычайных ситуациях мирного времени: функционирование систем жизнеобеспечения больницы и организации лечебной работы, создание запасов медицинского, санитарно-хозяйственного и прочего имущества; организация связи, организация убежищ и противорадиационных укрытий.
50541. Сеть Хопфилда 44.5 KB
  Клетки таблиц – это пиксели изображения. Чтобы изменить цвет пикселя просто наведете на него указатель мыши и нажмите левую клавишу. Чтобы запомнить образец нажмите кнопку «Модифицировать» и перейдите к следующему образцу. После внесения изменений обучите нейронную сеть и проверьте её работоспособность.
50544. Расчет сопротивления заземляющего устройства, состоящего из вертикальных электродов, соединенных горизонтальной полосой 121 KB
  Вычислить длину горизонтальной полосы соединяющей вертикальные электроды м – для электродов расположенных в ряд; м – для электродов расположенных по контуру.