Инжекционная электролюминесценция в полупроводниковых р-n переходах

Вопросы no курсу «Квантовые и оптоэлектронные приборы»

1. Инжекционная электролюминесценция в полупроводниковых р-n переходах.

 

Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Если возбуждение происходит под действием электрического поля – электролюминесценция. Под инжекционной люминесценцией понимается люминесценция вызванная рекомбинацией неосновных носителей с основными при пропускании тока через люминофор (при рекомбинации выделяется квант света; рекомбинация – процесс исчезновения пары электрон-дырка, электрон при этом переходит на более низкий энергетический уровень). Такая люминесценция наблюдается, например, в р-n-переходах, включенных в прямом направлении. При этом в n-область инжектируются избыточные дырки, а в р - область — электроны или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n- и р - областями. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в этом слое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Гомо- и гетеропереходы в полупроводниках.

 

Гомопереход — контакт двух областей с разными типами проводимости (или концентрациями легирующей примеси) в одном и том же кристалле полупроводника. Различают переходы типа p — n или n — p в которых одна из двух контактирующих областей легирована донорами, другая — акцепторами.  
Гетеропереход — контакт двух различных полупроводников (контакт между двумя веществами с различной величиной запрещенной зоны). отличающихся друг от друга шириной запрещенной зоны и показателями преломления.  
Гетеропереходы между двумя монокристаллами можно разделить на резкие и плавные в зависимости от того, на каком расстоянии от границы раздела происходит переход от одного материала к другому. В резком гетеропереходе этот переход происходит на уровне одного или двух-трех молекулярных слоев, в плавном на уровне 10 – 100 периодов решетки (молекулярных слоев).  
Гетеропереход называют изотипным, если он образован п/п с одинаковым типом электропроводности, и анизотипным, если его материалы обладают разными типами электропроводности.  
Гетеропереход наз. идеальным, если на границе раздела двух материалов отсутствуют поверхностные состояние. В отличие от идеального в реальном гетеропереходе на границе раздела всегда присутствуют поверхностные состояния, можно лишь уменьшить их влияния на свойства перехода. 
Принципиальное отличие p-n-гетероперехода от p-n-перехода (гомоперехода) заключается в различии высот потенциальных барьеров для электронов и дырок при переходе через границу раздела.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Эффекты, наблюдаемые в гетеропереходах. Эффект широкозонного окна, волноводный, односторонней инжекции.

 

 

 

 

 

Рис. Иллюстрация эффектов в гетеропереходах.

1. Эффект широкозонного окна. Позволяет  с мин. потерями вывести излучение, генерируемое в области p-n перехода, через его широкозонную часть. В обычном p-n переходе излучение с энергией фотонов   поглощается в прилегающих к активному слою p- и n- областях. В гетеропереходе излучение с энергией фотонов   (h в данном случае – частота перехода) свободно проходит через широкозонную область, где  , т.к. энергии фотона не достаточно, для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

2. Из-за разницы показателей  преломления (п.п) материалов, образующих  гетеропереход, будет наблюдаться  отражение света от гетерограницы. Обычно п.п узкозонного материала больше, чем широкозонного. Поэтому свет, который распространяется в узкозонной части под малым углом к гетерогранице, будет полностью отражаться. Если узкозонная область расположена между двумя широкозонными областями, то световое излучение в ней может распространяться, как в волноводе. Излучение концентрируется в активной области и не приникает в поглощающую область, не подверженную накачке.  

Рис. Волноводный эффект в двойной гетероструктуре n1- показатель преломления узкозонного слоя, n2- широкозонных слоев; E2(х) - зависимость интенсивности световой волны от координаты х.

3. Эффект односторонней инжекции. Позволяет осуществлять преимущественно  инжекцию неосновных носителей заряда в ту область p-n перехода, где максимальный квантовый выход люминесценции. В гетеропереходах преимущественно осуществляется инжекция носителей зарядов из широкозонной части (N- или P-) в узкозонную (n- или p-). Инжекции из узкозонной в широкозонную область препятствует энергетический барьер. Так для p-N гетероперехода инжекции дырок в n-область препятствует барьер в валентной зоне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Перечислить механизмы, ограничивающие информационно-пропускную ВОЛС.

 

Основными механизмами, влияющими на информационно-пропускную способность ВОЛС, являются дисперсия и потери в волокне. Под дисперсией понимается уширение световых импульсов.

1. Межмодовая дисперсия – уширение  световых импульсов за счет  введения света в волокно под  различными углами. Приводится к отношению к длине трассы L 
 

n1 – показатель преломления  среды распространения света, n2 –  показатель преломление окружающей  среды,  .

2. Материальная дисперсия –  уширение импульсов из-за взаимодействия  с материалом волокна, по сути  с молекулами среды. Влияние материальной  дисперсии особо заметно в  градиентных волокнах.

На потери в волокне влияют несколько факторов 
1. Фундаментальные ограничения материалов (УФ и ИК границы) 
2. Поглощение света 
3. Рассеивание света в процессе распространения 
4. Влияние дефектов, изгибов 
5. Влияние примесей 
6. Неупорядоченность структуры материалов волокна  
Также стоит отметить, что эффективность ввода излучения в волокно определяется его апертурой

 
где   Чем больше апертура, тем большей мощности полезный сигнал можно ввести в световод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Полупроводниковьте лазеры (принципы работы, используемые п/п материалы, способы накачки).

 

П/п лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла 
Предположим, что в результате какого-то внешнего воздействия п/п выведен из состояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременно высокие концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.  
Так как все состояния вблизи дна зоны проводимости заполнены электронами, а все состояния с энергиями вблизи потолка валентной зоны заполнены дырками, то переходы с поглощением фотонов, сопровождающиеся увеличением энергии электронов становятся невозможными. Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона проводимости - валентная зона, сопровождающиеся рекомбинацией электронно-дырочных пар и испусканием электромагнитного излучения. В полупроводнике создаются условия, при которых происходит усиление электромагнитной волны. Иными словами, коэффициент поглощения получается отрицательным, а рассматриваемая ситуация отвечает состоянию с инверсной плотностью населенности. Инверсная населенность возможна лишь при условии Ec-Ev<Fn-Fp, где Ec – положение уровня проводимости; Ev – положение валентного уровня; Fn – квазиуровень Ферми для электронов; Fp - квазиуровень Ферми для дырок. 
В полупроводниковых лазерах используются главным образом бинарные соединения типа А3В5, А2В6, А4В6 . Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. 
Широко используемыми на практике способами создания инверсной населенности являются:

• Возбуждение за счет инжекции неосновных носителей через p-n – переход, применяется в инжекционных лазерах. Путем инжекции неосновных носителей заряда через p-n переход при приложении к нему напряжения U в прямом направлении, создают вблизи p-n-перехода активный слой, в котором происходит излучательная рекомбинация. При большой плотности тока в вырожденном переходе в этом слое может быть реализовано условие инверсии. Использование таких свойств двойных гетероструктур (ДСГ), как эффекта односторонней инжекции (образование отрицательного барьера для е-нов или дырок из-за наличия разрывов в зоне проводимости, в валентной зоне) и волноводного эффекта (концентрация излучения в активной области), позволяет существенно облегчить достижения условия инверсии населенности. В результате, пороговый плотность тока существенно уменьшается более чем в 100 раз.
• Электронная накачка. Накачку лазеров производят пучком высокоэнергетических е-нов, которые проникают в глубину лазерной среды и теряют основную часть своей энергии на создание большого кол-ва е-но – дырочных пар. Один падающий е-н создают около 104 е-но – дырочных пар. Из-за высоких скоростей релаксации носителей заряда к краям валентной зоны и зоны проводимости создается инверсная населенность.
• Оптическая накачка. Этот метод применим к прямозонным п/п, если п/п возбуждаются излучением с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны. Условия генерации такие же, как и при других способах накачки. Но при оптической накачке поглощение излучения накачки происходит на очень небольшой глубине от поверхности п/п-ов. Из-за этого, характеристики лазеров становятся чувствительны к свойствам поверхности п/п-ов.

 

6. Почему в п/п лазере rенерируемое излучение обладает сравнительно высокой моноэнергетичностью несмотря на наличие энергетических зон?

 

В полупроводниковом лазере энергия фотона, образующегося при помощи механизма излучательной рекомбинации, зависит от того на каких энергетических уровнях располагались электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне и определяется как разность величин этих энергетических уровней. Но при этом, за счет того, что ширина областей, образованных занятыми энергетическими уровнями во много раз меньше ширины запрещенной зоны, можно считать, что энергия фотона определяется, в основном, шириной запрященной зоны. Что как раз и объясняет высокую моноэнергетичность (т.е. незначительный разброс в энергиях фотонов, образующих световой поток).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Почему в п/п лазерах высокая расходимость генерируемоrо излучения?

 

Расходимость светового пучка, определяется в общем случае дифракцией. Дифракционная расходимость является следствием естественного расширение лазерного пучка по мере движения световых волн в пространстве. 
Дифракция – проявления отступления от законов геометрической оптики, характеризующиеся определенной зависимостью данного явления от соотношения между длиной волны и размером неоднородностей среды.  

Таким образом, высокая расходимость лазерного излучения обуславливается малыми размерами активной области в полупроводниковых лазерах. При этом, за счет того, что W>D картина излучения полупроводникового лазера представляет собой эллипс, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности слоя. 

 

 

 

8. Почему кремний и германий нe используются при разработке и изготовлении лазерных диодов?

 

Трудность в изготовлении кремниевых и германиевых лазеров вызвана наличием запрещенной энергетической зоны с непрямыми переходами. Это приводит к тому, что вероятность безызлучательных переходов становится выше, чем с эмиссией света. Это, в свою очередь, связано с тем, что для выполнения излучательной рекомбинации в непрямозонных полупроводниках требуется наличие дополнительной частицы, например, фонона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Характеристики светодиодов, понятие эффективности, квантового выхода, коэффициента вывода света.

 

Светодиоды – п/п источники некогерентного излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценциипри инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- р-n-переход. Основные достоинства светодиодов обусловлены возможностью непосредственного преобразования электрической энергии в световую с высокой эффективностью.  
Эффективность светодиода (КПД) определяется следующим образом:  
, 
где  - энергия фотона,  - приложенное внешнее напряжение,  - внешний квантовый выход, который зависит от:

1. Внутреннего квантового выхода люминесценции, который определяется соотношением вероятностей излучательной и безизлучательной рекомбинации. Зависит от зонной структуры п/п, типа легирующих примесей и их концентрации. В светодиодах главное, чтобы скорость излучательной рекомбинации была больше скорости безизлучательной. Это выполняется в прямозонных п/п-ах. Поэтому базовым материалом для светодиодов стал арсенид галлия GaAs. Применение гетероструктур позволили на порядок увеличить эффективность светодиодов.
2. Коэффициент вывода света определяется процессами распространения света в активном материале, его отражением и поглощения на границах раздела. Другими словами, это оптическая эффективность вывода наружу излучения, генерируемого в активной области светодиода. Эта эффективность ограничена трудностью вывода излучения наружу и процессами поглощения в материале и на контактах. Прежде чем дойти до выходной поверхности, свет, испущенный вблизи p-n-перехода, проходит через толщу материала, где он может поглотиться. Поэтому толщина области, через которую выводится излучение не превышает несколько микрон. Наилучший вывод излучения обеспечен в гетеропереходе через широкозонный эмиттер, используя эффект широкозонного окна.