Светодиоды и лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

 

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра автоматизированного  электропривода

и промышленной электроники

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

«Светодиоды и лазеры

 на основе полупроводниковых  гетероструктур»

 

 

Вариант 7

 

Выполнил: студент гр. АПЭ-08  

Евдокимов П.А.

Проверил:    доц. Терехов Н.И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новокузнецк

2011

Содержание

1. Введение…………………………………………………………............. 2. Гетероструктура………………………………………………………... 3. Светодиоды……………………………………………………………...    3.1 Принцип  работы светодиода………………………………………    3.2 Органический  светодиод…………………………………………...       3.2.1 Принцип действия органического светодиода………………       3.2.2 Применение органического светодиода……………………... 4. Лазер ……………………………………………………………………..    4.1 Устройство  лазера…………………………………………………...       4.1.1 Источник энергии……………………………………………….       4.1.2 Рабочее тело……………………………………………………...       4.1.3 Оптический резонатор………………………………………….    4.2 Принцип действия лазера………………………………………….    4.3 Применение  лазеров………………………………………………... 5. Полупроводниковый  лазер……………………………………………    5.1 Принцип действия…………………………………………………..    5.2 Лазеры на двойной гетероструктуре……………………………...    5.3 Диод с квантовыми ямами…………………………………………    5.4 Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием………..    5.5 Применение полупроводникового лазера……………………….. 6. Заключение……………………………………………………………... 7. Список используемых  источников…………………………………...

3 4 5 6 8 8 9 10 11 11 11 12 13 15 17 18 20 21 21 21 23 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Современная наука наперегонки  бежит с современными же технологиями. Обыватель зачастую не успевает удивляться техническим и технологическим  чудесам, отмечая, что будущее уже наступило…

     Например, всего  чуть более ста лет прошло  с момента изобретения первой  лампы накаливания, достойной  массового производства и применения. А сегодня ночные города сияют электрическими иллюминациями, одна краше другой. Устраиваются грандиозные лазерные представления. Этой красотой, как и возможностям искусственного освещения, мы обязаны достижениям науки в области создания электрических источников света, а также разработчикам и производителям. Сегодня наиболее перспективными разработками в этой области являются полупроводниковые светодиоды и лазеры, возможности которых далеко превосходят привычные источники света.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Гетероструктура

Гетероструктура — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа. В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны.

Рис. 1 «Гетероструктура»

Для роста используют много  методов, среди которых можно  выделить два:

Молекулярно-лучевая эпитаксия и MOCVD.

Первый метод позволяет  выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста.

За развитие полупроводниковых  гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов получил Нобелевскую премию в 2000 году.

В рамках развития нанотехнологий в России ведётся активное развитие производств, связанных с гетероструктурами, а именно производство солнечных батарей, лазеров и светодиодов.

 

3. Светодиоды

 

Светодио́д или светоизлучающий  диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) —  полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение  при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары «карборунд — стальная проволока», Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода.

Рис.2 «Структура светодиода»

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не все полупроводниковые  материалы эффективно испускают  свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных  полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически  не излучают. Впрочем, в связи с  развитием кремниевой технологии, активно  ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

 

3.1 Принцип работы светодиода

Как и обычный диод, светодиод  содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход.

 Изобретние светодиодов  начиналось с изготовления структур  на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.

Рис. 3 «Принцип работы светодиода»

 

Сегодня физика работы светодиода кажется весьма простой: при подаче «прямого» напряжения на p- и n- области  кристалла полупроводника, через p-n переход носителями положительных  и отрицательных зарядов начинает создаваться электрический ток. В процессе передачи тока происходит так называемая рекомбинация – слияние и взаимная компенсация электронов (отрицательных зарядов) и «дырок» (положительных зарядов). Но рекомбинация, как явление энергетических превращений, обязательно сопровождается излучением какого-либо кванта. В обычных полупроводниках высвобожденная энергия рекомбинации превращается в тепло. Но изменяя состав полупроводникового кристалла, возможно достичь эффекта, когда «свободным» квантом рекомбинации будет фотон. А фотон, как известно – квант света. Таким образом, свечение светодиода есть следствие рекомбинации зарядов в p-n переходе полупроводника специального состава. Очевидно, что если практически вся энергия рекомбинации переходит в световую, на тепловую ничего не остается. Этим объясняется отсутствие нагрева работающего светодиода. Точнее, небольшой нагрев рабочего тела имеет совсем другую природу, нежели рождение света. Цвет излучаемого светодиодом света не монохроматичен, как у лазера, но имеет довольно узкий спектр, что долгое время определяло область применения светодиодов как индикаторных приборов. Но в зависимости от состава полупроводника, оказалось возможным создавать светодиоды, излучающие от средне-инфракрасного до жесткого ультрафиолетового спектры. Эта особенность светодиодов сильно расширила горизонты применения приборов, от медицинских до научно-исследовательских лабораторий. Легкий, надежный, эффективный и стабильный источник излучения нашел применение в тысячах и тысячах отраслях.

 

 

 

 

 

 

3.2 Органический светодиод

Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) — органический светоизлучающий диод) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.

Основное применение технология OLED находит при создании устройств  отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.

Рис 4 «1.5-дюймовый (3,8 сантиметра) OLED-дисплей медиаплеера Creative ZEN V»

 

3.2.1 Принцип действия органического светодиода

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.

Рис. 5 «Схема 2х  слойной OLED-панели: 1. Катод(−), 2. Эмиссионный  слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)»

Прибор не работает при  подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки  движутся к аноду, а электроны  в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.

В качестве материала анода  обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие  как алюминий и кальций, так как  они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.

 

3.2.2 Применение органического светодиода

На сегодняшний день OLED-технология применяется многими разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов ночного видения. Дисплеи OLED встраиваются в телефоны, цифровые камеры и другую технику, где не требуется большого полноцветного экрана. Такие дисплеи широко применяются в мобильных телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, MP3-плееров и т. д.

Также есть и мониторы на основе органики (Epson, Samsung — достигнут 40" предел).

 

4. Лазер

Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление  вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших  пиковых мощностей. В некоторых  схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

 

 

 

 

 

 

 

4.1 Устройство  лазера

Лазер - квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов: Источник энергии (механизм «накачки»), рабочее тело, система зеркал («оптический резонатор»)

Рис. 6 «Схема устройства на примере рубинового лазера»

 

4.1.1 Источник энергии

Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция, взрывчатое вещество.

Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого  рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

4.1.2 Рабочее тело