Оглавление

Введение. 3
1. Технические параметры СИД. 5
2. Физические основы работы СИД. 6
3. Расчет технических параметров СИД. 22
Заключение 24
Список литературы 25

Введение

Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств.

Частота электромагнитных колебаний (несущая частота ?₀) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~10¹⁵ -- 10¹³ Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот ???5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при ?=1 м ?₀=300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении ??/?₀ это число возрастает в миллионы раз.

Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при ?=1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны.

Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж», исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.

Технические параметры СИД

Светоизлучающие диоды КЛ101А, КЛ101Б, КЛ101В. Карбидо-кремниевые диффузионные СИД предназначены для работы в аппаратуре широкого применения. Цвет свечения -- желтый. Приборы оформлены в пластмассовом корпусе с плоскими гибкими лужеными выводами; линза -- стеклянная (рис. 11,а). Масса прибора не более 0,5 г.

Таблица 1. Основные параметры СИД серии КЛ101.

ИК-диоды АЛ106А, АЛ106Б, АЛ106В. Арсенидо-галлиевые мезадиффузионные ИК-диоды предназначены для работы в радиоэлектронной аппаратуре широкого применения. Приборы оформлены в металлическом корпусе с проволочными гибкими лужеными проводами; линза -- стеклянная. Масса приборов 0,5 г.

Таблица 1. Основные параметры СИД серии КЛ106.

Физические основы работы СИД

Внешний квантовый выход и потери излучения.

Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы светоизлучающих полупроводниковых диодов (СИД). Термином «светоизлучающие диоды» охватывают также излучающие диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения (ИК-диоды)

Светоизлучающий диод - основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обусловливают следующие его достоинства: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узкий спектр излучения (квазимоно-хроматичн сть) для одного типа СИД, с одной стороны, и перекрытие почти всего оптического диапазона излучения СИД различных типов - с другой; высокая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высокое быстродействие; малые габариты, технологическая совместимость с микроэлектронными устройствами; высокая надежность и долговечность.

Качество СИД характеризуется внешним квантовым выходом:

? = ? ?_э ?_опт

где ? - коэффициент инжекции; ?_э-внутренний квантовый выход; ?_опт - оптическая эффективность или коэффициент вывода света.

Произведение ??_э определяет, эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении ??_э внешний квантовый выход СИД может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры СИД во внешнюю среду. При выводе излучения из активной (излучающей) области СИД имеют место потери энергии (рис. 1).

Потери на самопоглощение (лучи 1 на рис. 1). При поглощении полупроводником фотонов их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фотонов свободными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фотонов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой, поглощение с переходом электронов с акцепторного на донорный энергетический уровень и некоторые другие виды поглощения.

Рис. 1. Потери при выводе оптического излучения из активной области.

Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2 на рис. 1). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной' среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части излучения выполняется условие полного внутреннего отражения. Эта- часть излучения, отразившись внутрь кристалла, в конечном счете, теряется за счет самопоглощения.

Полное внутреннее отражение может сильно ограничивать внешний квантовый выход СИД. Этот эффект особенно ярко выражен в полупроводниках с прямыми переходами, где почти все излучение, претерпевшее полное внутреннее отражение, поглощается. В полупроводниках с непрямыми переходами внутреннее поглощение гораздо слабее и, следовательно, излучение имеет большую вероятность дойти до какой-либо поверхности кристалла диода. Потери при прохождении света внутри диодной структуры примерно пропорциональны V/S_x0, где x₀ - глубина поглощения, V - объем, S - площадь полной поверхности кристалла СИД.

Потери в полупроводниках обоих типов обусловлены высокими показателями преломления материалов, используемых для СИД (n?3.3-3.8), и возрастают при уменьшении ширины запрещенной зоны. Излучение, падающее на поверхность под углом 0, превышающий критический угол, претерпевает полное внутреннее отражение. Излучение, падающее под углом, меньшим критического, также частично отражается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщины и показателя преломления, то она будет оказывать просветляющее действие и коэффициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменяется.

1. Потери на обратное и торцевое излучение (лучи 3 и 4 на рис 1). Генерация в активной области полупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону эмиттера, быстро поглощаются. Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от соседних областей. Поэтому лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль активной области, так что интенсивность торцевогоIизлучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла. Количественно эффективность вывода оптического излучения из СИД характеризуется коэффициентом вывода ?_опт и определяется отношением мощности излучения, выходящего из СИД, к мощности излучения, которая генерируется внутри кристалла:

?_опт = P_изл P_ген

Таким образом, внешний квантовый выход ?_опт - это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции ?, электролюминесценции ?_э и вывода излучения ?_опт в создании оптического излучения. Иначе, внешний квантовый выход ?. определяется отношением числа излучаемых квантов к числу проходящих за то же время через СИД носителей заряда:

? = N_ф N_э

СИД на основе гетероструктур. Наилучшие параметры излучения имеют СИД, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Рассмотрим основные особенности гетероструктуры более подробно, так как она является базой для изготовления многих типов оптоэлектронных приборов.

Гетеропереходом называют переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности, и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовать четыре гетероструктуры: p₁-n₂, n₁-n₂, n₁-p₂, p₁-p₂ Здесь индекс 1 относится к полупроводнику с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник), а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник).

При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетероструктуры в равновесном состоянии единый. На рис. 2 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs-GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2 -электронами). Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место. односторонняя инжекция - только электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой. Наряду с одинарной в СИД используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широкозонный Р₃-слой того же, что и база, типа проводимости (рис. 3). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны). Избыточная, концентрация носителей в активной, (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход 3-4% а время переключения 40-80 не; двойные гетероструктуры имеют примерно такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения 20-30 нс. Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-n переходов.

Рис 4. Спектральные характеристики базы и эмиттера гетероструктуры

длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 4). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эффект»). Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись, от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Очевидно, что многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все его преимущества.

Излучательная характеристика