Оптроны и их применение
излучения; высокое быстродействие; малые значения
питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и
интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем
изменения прямого тока; возможность работы как в импульсном, так и
в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более
или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и
долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями
микроэлектроники.
Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде
оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления nим;
высокое значение удельного сопротивления rим; высокая критическая
напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость Dqим раб;
хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность
(это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов
оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая
прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только
светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность
(удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т.
п.).
Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах
являются полимерные оптические клеи. Для них типично nим =1,4... 1,6, rим
> 1012... 1014 Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, Dqим раб = - 60 ... 120 C. Клеи
обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую
механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются
также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды
2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ
Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне
требует учитывать квантовую природу света. Известно, что
электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока
частиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которых определяется
соотношением;
Eф=hn=hc/nl (2.1)
где h - постоянная Планка ;
с - скорость света в вакууме ;
n - показатель преломления полупроводника ;
n, l - частота колебаний и длина волны оптического излучения.
Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих
через единицу площади в единицу вpeмени) равна Nф, то полная
удельная мощность излучения составит:
Pф= Nф Eф (2.2)
и, как видно из (2.1), при заданном Nф она тем больше, чем короче
длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает Pф
(энергетическая облученность фотоприемника), то представляется
полезным следующее соотношение
Nф = Pф/ Eф=5[pic]1015 l Pф (2.3)
[pic]
Рис.2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере
тройного соединения GaAsP).
где Nф, см-2[pic]с-1; l, мкм; Pф, мВт/см.
Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из
трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация
в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу
светодиода и вывод излучения из области генерации.
Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется
прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и
дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы
оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и
GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам т.е. к таким, в которых
разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис.2.1.).
Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается
излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения
энергии определяется соотношением
lизл[мкм] =1,23/ Eф[эB] (2.4)
Следует отметить, Что имеются и конкурирующие безызлучательные -
механизмы рекомбинации . К числу важнейших из них относятся:
1. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в
валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации,
образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень Et
на рисунке 2.1).
2. Оже-рекомбинация (или ударная). При очень высоких концентрациях
свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность
столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочкой
пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической
энергии, которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.
[pic]
рис.2.2. Электрическая (a) и оптическая (b) модели светодиода.
A - оптически “прозрачная” часть кристалла; B - активная часть кристалла; C
-“непрозрачная” часть кристалла; D - омические контакты; E - область
объемного заряда.
Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается
введением понятия внутреннего квантового выхода излучения hint,
определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной
(излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе,
отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же
время неосновных носителей заряда). Значение hint является важнейшей
характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0[pic]
hint[pic]100%.
Создание избыточной концентрации свободных носителей в
активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется
путем инжекции их р - n-переходом, смещенным в прямом
направлении.
“Полезной” компонентной тока, поддерживающей излучательную
рекомбинацию в активной области диода, является ток электронов In
(рис.2.2,а), инжектируемых р - n-переходом. К “бесполезным”
компонентам прямого тока относятся:
1. Дырочная составляющая Ip, обусловленная инжекцией дырок в n-
область и отражающая тот факт, что р - n-переходов с односторонней
инжекцией не бывает, Доля этого тока тем меньше чем сильнее легирована
n-область по сравнению с р-областью.
2. Ток рекомбинации (безызлучательной) в области объемного заряда
р - n-перехода Iрек. В полупроводниках с большой шириной
запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может
быть заметной.
3. Туннельный ток Iтун , обусловленный “просачиванием” носителей
заряда через потенциальный барьер. Ток переносится основными
носителями и вклада в излучательную рекомбинацию не дает.
Туннельный ток тем больше, чем уже р - n-переход, он заметен при
сильной степени легирования базовой области и при больших прямых
смещениях.
4. Ток поверхностных утечек Iпов, обусловленный отличием свойств
поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или
иных закорачивающих включений.
Эффективность р - n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции:
[pic] (2.5)
Очевидно, что пределы возможного изменения g те же, что и у hint, т. е.
0[pic] g [pic]100%.
При выводе излучения из области генерации имеют место следующие
виды потерь энергии (рис. 2.2,6):
1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых
квантов в точности соответствует формуле (2.4), то она совпадает с
“красной границей” поглощения (см. ниже), и такое излучение быстро
поглощается в толще полупроводника (самопоглощение).В
действительности, излучение в прямозонных полупроводниках идет не по
приведенной выше идеальной, схеме. Поэтому длина волны генерируемых
квантов несколько больше, чем по (2.4):
2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно, что при
падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды
(полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей
выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся
внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения.
3. Потери на обратное и торцевое излучение (луч 3 и 4).
Количественно эффективность вывода оптической энергии из
кристалла характеризуется коэффициентом вывода Копт определяемым
отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности
излучения, генерируемой внутри кристалла. Так же, как и для коэффициентов
hint и g , всегда выполняется условие 0[pic] Копт [pic]100%.
Интегральным показателем излучеательной способности светодиода
является величина внешнего квантового выхода hext. Из сказанного ясно, что
hext= hint g Копт.
Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в
оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте , заключающемся в
отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного
(оптического) излучения.
Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать
отрыв электронов от атомов как самого полупроводника, так и
примеси. В соответствии с этим говорят о собственном
(беспримесном) и примесном погло
| |  скачать работу |
Оптроны и их применение |
