ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Источники оптического излучения

Оптоэлектроника — это раздел электроники, где в качестве носителя информации используются электромагнитные волны оптического диапазона. Длины волн оптического излучения — от 10 нм до 1 мм.

Оптический диапазон волн по физическим свойствам неоднороден, в связи с этим он делится на поддиапазоны, у которых физические свойства одинаковы: ультрафиолетовое излучение (А = 0,01...0,4 мкм), видимое излучение (А, = 0,38...0,78 мкм), инфракрасное излучение (А = 0,78... 1000 мкм). Длина волны определяет степень передачи и поглощения излучения в различных светопроводящих средах.

Световой луч в оптоэлектронике выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях. В оптических цепях носителями сигналов являются электрически нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются. Оптические цепи не подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую развязку входных и выходных цепей оптоэлектронных элементов связи; однонаправленность передачи и отсутствие влияния приемника на передатчик; высокую помехозащищенность оптических каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электрических и магнитных полей; отсутствие влияния паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале связи и отсутствие паразитных связей между каналами; хорошее согласование цепей с разными входными и выходными сопротивлениями.

В электрических же цепях носителями заряда являются электроны, которые взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями, что требует экранирования и защиты от внешних полей. В электрических цепях трудно осуществить гальваническую развязку по постоянному току и на низких частотах.

Невосприимчивость оптического излучения к различным внешним воздействиям и электронейтральность фотона являются не только достоинствами, но и недостатками, ибо затрудняют управление интенсивностью и распространением светового потока.

Компоненты оптоэлектроники и электроники существуют, не отрицая друг друга, и каждый из них используется в той области, где его применение более целесообразно.

В устройствах оптоэлектроники передача информации от управляемого источника света (фотоизлучателя) к фотоприемнику осуществляется через светопроводящую среду (воздух, вакуум, световоды), выполняющую роль проводника оптического излучения. Световодные линии являются эквивалентами электрических проводников и характеризуются большой пропускной способностью, возможностью совмещать в одном световоде большое число каналов связи при очень высокой скорости передачи информации, достигающей гигабит в секунду. Оптическое излучение легко разделяется по длинам волн, поэтому в одном световоде можно объединять несколько каналов информации.

Отсутствие электрического тока в световодах обеспечивает их высокую пожаро- и взрывобезопасность. Эти свойства важны при прокладке линий связи и установке устройств автоматики в помещениях с повышенной опасностью.

Оптоэлектронные устройства могут быть изготовлены по интегральной технологии. Оптические интегральные схемы характеризуются широкой полосой пропускания, невосприимчивостью к вибрации, повышенной надежностью, экономичностью при серийном производстве, малыми размерами и массой.

Излучающие приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения с определенной длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе работы управляемых источников оптического излучения лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение, газоразрядное излучение, электролюминесценция, индуцированное излучение. Источники излучения бывают когерентными и некогерентными. Лампы накаливания, газоразрядные лампы, электролюминес- центные элементы, инжекционные светодиоды являются некогерентными источниками излучения. Когерентными источниками излучения являются лазеры.

Принцип действия полупроводниковых излучающих приборов основан на явлении электролюминесценции — излучения света телами под действием электрического поля.

Электролюминесценция является частным случаем люминесценции — электромагнитного нетеплового излучения, обладающего длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела.

В оптоэлектронных полупроводниковых приборах используется люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной. Для работы в диапазоне видимого излучения (0,38...0,78 мкм) пригодны полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,5...3,0 эВ, что исключает применение германия и кремния, технология которых хорошо отработана. Поэтому используются материалы типа A^mB^v (арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAs^P*, где 0 < х < 1, и другие многокомпонентные полупроводниковые соединения. В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается инжекцион- ной электролюминесценцией. Генерация оптического излучения в р-тг-переходе объединяет два процесса: инжекцию носителей и электролюминесценцию.

Одним из наиболее распространенных источников света является светодиод — полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения. Это происходит при смещении р-тг-перехода в прямом направлении.

На рис. 5.1 показана конструкция плоского, а на рис. 5.2 — полусферического светодиода. При приложении прямого напряжения U_BH к р-я-переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход. Увеличивается инжекция дырок в п-область, а электронов — в p-область. Прохождение тока через р-п-иерехор в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом р-тг-переходе, так и в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами L_n и L_p. В большинстве полупроводников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки), энергетические уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны, и сопровождается выделением тепловой энергии — фонона. Такая рекомбинация называется безызлучательной.

Рис. 5.1. Конструкция плоского светодиода

Рис. 5.2. Конструкция полусферического светодиода

В ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света — фотона. Это происходит в полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны — прямозонных полупроводниках. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энергетические уровни валентной зоны (переход зона — зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излучение. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, при котором еще один электрон перейдет в валентную зону.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных р-тг-переходом. Желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально в излучающей (активной) p-области (см. рис. 5.1, 5.2). Для этого в тг-область вводят больше донорной примеси, чем в р-область акцепторной. Преобладает инжекция электронов из п-области в p-область, излучает p-область. Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника рекомбинационный ток р-п-перехода оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях. Процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в р-п-переходе.

Излучательная способность светодиода характеризуется:

• 1) внутренней квантовой эффективностью (внутренним квантовым выходом), определяемой отношением числа генерируемых фотонов к числу инжектированных в активную область носителей заряда за один и тот же промежуток времени. Так как часть фотонов покидает полупроводник, а другая часть отражается от поверхности полупроводника, а затем поглощается объемом полупроводника, то вводят понятие квантовой эффективности излучения;
• 2) внешней квантовой эффективностью излучения (квантовым выходом), определяемой отношением числа фотонов, испускаемых диодом во внешнее пространство, к числу инжектируемых носителей через р-п-переход.

Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной способности светодиода, учитывающим эффективность инжекции, электролюминесценции и вывода излучения во внешнее пространство. С целью повышения эффективности вывода излучения светодиода используют различные конструкции: полусфера (см. рис. 5.2), отражающие металлизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение.

Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечение различного цвета. Наряду со светодиодами, работающими в диапазоне видимого излучения, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения (ИК-диоды), которые изготавливаются преимущественно из арсенида галлия. ИК-диоды применяются в фотореле, различных датчиках и при создании некоторых оптронов.

Существуют светодиоды переменного цвета свечения с двумя светоизлучающими переходами (рис. 5.3, а), один из которых имеет максимум спектральной характеристики в красной части спектра, а другой — в зеленой.

Рис. 5.3. Светодиод с управляемым цветом свечения: а — структурная схема; б — схема замещения

Структура светодиода переменного цвета имеет три вывода (1, 2, 3 на рис. 5.3, а), что позволяет осуществлять раздельное управление током каждого р-н-перехода.

Изменяя токи переходов, удается менять цвет свечения от желто-зеленого до красно-желтого оттенка, а также получать чистые красный и зеленый цвета. Принципиальная схема такого светодиода представлена на рис. 5.3, б.