Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры
1Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ
1Московский Государственный Институт Электроники и Математики
1Факультет Электронной Техники
1Кафедра - Материаловедение
1электронной техники
1РЕФЕРАТ
1на тему 3 Материалы оптоэлектроники.
3Полупроводниковые светоизлучающие структуры. 0
1Выполнил студент группы И-41
1Офров С.Г
1Руководитель Петров В.С.
1Реферат защищён с оценкой _________
_____________________________
(подпись преподавателя, дата)
1Москва 1994
ш0
.
- 1 -
Материалы оптоэлектроники.
Полупроводниковые светоизлучающие структуры.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
1.1. Предмет оптоэлектроники.
Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники,
занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма),
переработки (преобразования), запоминания и хранения информации
на основе использования двойных (электрических и оптических) ме-
тодов и средств.
Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор,
чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфра-
красной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и
преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же
спектральных областях; или прибор, использующий такое электро-
магнитное излучение для своей работы.
Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлек-
тронных приборов и устройств или такая их структура (в случае
использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализа-
цию с применением методов современной интегральной техники в
микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника ба-
зируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники,
среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая элек-
троника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и техно-
логия, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, во-
локонная оптика.
- 2 -
Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связа-
ны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с
электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим
обуславливаются их основные достоинства:
1. Высокая информационная ёмкость оптического канала.
2. Острая направленность излучения.
3. Возможность двойной модуляции светового луча - не только
временной, но и пространственной.
4. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей.
5. Возможность простого оперирования со зрительно восприни-
маемыми образами.
Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными
приборами очень широкие возможности применения в качестве эле-
ментов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем са-
мым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в
комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.
Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники
служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводи-
тельных вычислительных комплексов, запоминающих устройств ги-
гантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телеви-
дения и инфравидения.
Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет
источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую
очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить
на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным
(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использо-
ванием когерентного или некогерентного света обычно резко отли-
чаются друг от друга по важнейшим характеристикам.
- 3 -
Всё это оправдывает использование таких терминов как "коге-
рентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Ес-
тественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия
между ними очень существенны.
История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия опти-
ческого квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то
же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распростране-
ние светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, уст-
ройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектро-
ники.
1.2. Генерация света.
Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, дли-
ны которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон за-
мечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется
корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующие
ей частота колебаний и длина волны света связаны следующими со-
отношениями:
ш1 7
7)
7n 0[Гц] = 3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2
78
7e 4ф 0[эВ] = 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2
70
ш0
При известной удельной мощности P плотность фотонного пото-
ка N определяется выражением
N[м 5-2 0с 5-1 0] = 5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].
Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому из-
лучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения
- 4 -
нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так на-
зываемого абсолютно чёрного тела имеет вид
f( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0)) - 1] 5-1 0,
где h, c, k - известные универсальные константы; T - абсолютная
температура. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К)
часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.
При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".
Люминесценция представляет собой излучение, характеризующе-
еся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового из-
лучения при данной температуре ("холодное" свечение).
Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде
дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они
занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт
энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов пе-
реходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение
этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испус-
канием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:
ш1
1,23
7l 0 = ───────────── [мкм]
(E 42 0 - E 41 0)[эВ]
ш0
Физика люминесценции предопределяет две примечательные осо-
бенности процесса: узкий спектр излучения и возможность исполь-
зования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике
главным образом используются электролюминесценция (пробой и ин-
жекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодо-
люминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).
При распространении световых лучей важную роль играет диф-
ракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в
- 5 -
частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы
параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходи-
мости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).
Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем
соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых
потоков не может превысить 7 l 5-2 0.
В веществе с показателем преломления n скорость распростра-
нения светового луча становится c/n, а поскольку величина n за-
висит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то
это обуславливает дисперсию.
1.3. Источники излучения.
Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучате-
лей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах
(некогерентное излучение).
В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые,
твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового
наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монох-
роматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую на-
правленность и, в конечном счёте, когерентность излучения. В то
же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки
газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ
как универсальный оптоэлектронный элемент.
Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обус-
лавливают перспективность применения этих генераторов в дально-
действующих волоконнооптических линиях связи.
Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных приме-
- 6 -
нений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому
к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте уп-
равления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного
полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий
слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов
того же материала, но с большими значениями концентраций алюми-
ния и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В
роли резонатора может также выступать поверхностная дифракцион-
ная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической об-
ратной связи.
Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупровод-
никовые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминес-
центные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в ре-
зультате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход
электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высве-
чивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меня-
ется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, си-
ний (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и
пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышь-
яком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92
мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют макси-
мальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые раз-
меры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-
родействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5
В) и токи (10...100 мА).
.
- 7 -
ш1.5
Л+
Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.
╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗
║ Полупро- │ 4o 0 5 0│ Цвет │Эффектив-│ Быстродействие, ║
║ водник │ 7l 0,A │ │ность, % │ нс ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaAs │ 9500 │ ИК │ 12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
║ │ 9000 │ │ 2 │ 10 5-9 0...10 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaP │ 6900 │ Красный │ 7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
║ │ 5500 │ Зелёный │ 0,7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaN │ 5200 │ Зелёный │ 0,01 │ ║
║ │ 4400 │ Голубой │ 0,005 │ ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaAs 41-x 0P 4x 0 │ 6600 │ Красный │ 0,5 │ 3 77 010 5-8 0 ║
║ │ 6100 │ Янтарный │ 0,04 │ 3 77 010 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ Ga 41-x 0Al 4x 0As │ 8000 │ ИК │ 12 │ 10 5-8 0 ║
║