Контрольные вопросы

1. Зарождение и развитие оптоэлектроники.

2. Какие открытия расширили возможности оптоэлектроники?

3. Какие вопросы изучает оптоэлектроника?

4. Какие процессы лежат в основе работы оптоэлектронных приборов?

5. Физические эффекты, используемые при работе оптоэлектронных приборов.

6. Какие особенности оптического излучения способствуют широкому применению оптоэлектронных приборов?

7. Области применения оптоэлектронных приборов.

8. Классификация оптоэлектронных устройств.

9. Достоинства оптоэлектронных приборов.

Лекция 2

Физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов (часть 1)

2.1. Поглощение и рассеяние света

При попадании света внутрь вещества происходит его поглощение. Поглощение приводит к увеличению энергии электронов вещества и изменению их состояния.

В металлах происходит в основном увеличение кинетической энергии свободных электронов, в полупроводниках и диэлектриках во многих случаях наблюдается переход электронов в другое энергетическое состояние.

Э нергетические состояния валентного электрона в полупроводнике образуют валентную зону и зону проводимости (рис. 2.1). Если энергия фотона hf больше ширины запрещенной зоны E_g (т.е. ), то электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости. При этом происходит сильное поглощение света. Если ширину запрещенной зоны E_g выразить в эВ, а длину волны света λ – в мкм, то диапазон длин волн, вызывающий переходы, можно выразить следующим образом:

, (2.1)

где h – постоянная Планка, f – частота излучения, с – скорость света в вакууме.

Свет с энергией ниже энергетического интервала не будет вызывать междузонного электронного перехода. Рассеяние, обусловленное свободными электронами в зоне проводимости (или дырками в валентной зоне), сравнительно небольшое (зависит от концентрации донорной или акцепторной примеси).

В некоторых стеклах возбуждение электронов за счет УФ-поглощения приводит к небольшому дополнительному поглощению света в видимой области. Это явление называется фотохроматизмом и используется для изменения спектра поглощения видимого излучения под действием УФ.

2.2. Рекомбинация и излучение света. Вынужденное излучение

При тепловом равновесии почти все электроны находятся в валентной зоне, то есть, сосредоточены и удерживаются в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Если к p-n-переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой извне энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретают добавочную энергию, переходят на более высокий уровень, то есть часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освобождающихся местах возникают положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике.

При инжекции электрона в зону проводимости полупроводника этот электрон спустя некоторое время (время жизни) рекомбинирует с дыркой в валентной зоне и переходит из зоны проводимости в валентную с излучением фотона. Этот процесс называется спонтанным (или рекомбинационным) излучением света, а время, необходимое для излучения света, называется временем рекомбинации (временем жизни спонтанного излучения). Такое излучение возникает в светодиодах.

Частота определяется разностью энергетических уровней E_g= E_c- E_υ, то есть шириной запрещенной энергетической зоны:

, (2.2)

где - скорость света в вакууме; - длина волны; E_g и h - энергия и постоянная Планка.

Формула (2.2) называется частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар “электрон-дырка”.

Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Но так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью, широкой диаграммой направленности, низкой интенсивностью, является некогерентным. Таким образом, для работы светодиода требуется активная среда и система накачки. Накачка осуществляется инжекционными токами.

При электронном переходе выполняются законы сохранения энергии и импульса. Так как импульс фотона мал по сравнению с импульсом электрона, импульс электрона при переходе не меняется, следовательно, не меняется волновое число k.

Обычно в полупроводниках (рис. 2.2, а) потолок валентной зоны соответствует нулевому значению k, поэтому электронные междузонные переходы происходят в основном с участием состояний этой части зоны.

Существуют полупроводники с прямыми переходами – потолок валентной зоны совпадает с дном зоны проводимости (см. рис. 2.2, а).

В полупроводниках с прямыми переходами вероятность перехода велика, поэтому время существования спонтанного излучения мало (несколько нс). Это позволяет с высокой скоростью менять интенсивность света. Светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазеры на их основе служат источниками излучения в системах связи (пример такого полупроводника - арсенид галлия).

В полупроводниках с непрямыми переходами потолок валентной зоны не совпадает с дном зоны проводимости (рис. 2.2, б).

В полупроводниках с непрямыми переходами происходит двухступенчатый непрямой переход. Сначала электронный переход осуществляется через виртуальный энергетический уровень и при сохранении импульса происходит излучение фотона. Затем излучается фотон, уносящий избыточный импульс, и происходит переход к потолку валентной зоны. Вероятность непрямых переходов мала, время существования спонтанного излучения велико (десятки - сотни мкс). Скорость временных изменений интенсивности света обратно пропорциональна времени жизни носителей, поэтому такие полупроводники используют в индикаторных светодиодах (где допускается инерционность). Примером полупроводника с непрямыми переходами является кремний, применяемый в транзисторах.

В соответствии с законами квантовой механики в структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс, так называемое индуцированное (вынужденное) излучение. Остановимся на этом явлении.

В состоянии теплового равновесия электроны находятся на нижних уровнях в валентной зоне. Путем какого-нибудь возбуждения можно осуществить инверсию состояния, инверсную населенность (увеличить число электронов на верхних уровнях). Как уже отмечалось, такая среда называется активной. Из этого состояния под действием излучения с энергией, равной E_g, электроны «упадут» на нижние уровни, а их энергия перейдет в излучение с длинной волны и ф азой возбуждающего излучения, усиливая его (рис. 2.3). Это – вынужденное излучение.

Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости, падает свет с частотой , примерно равной частоте , определяемой по формуле (2.2), то возникает излучение с частотой и направлением падающего света. Причем первичный и вторичный фотон обладают одинаковыми квантово-механическими харак-теристиками. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При вынужденном излучении происходит усиление излучения средой (лавинообразное нарастание потока фотонов). Вынужденное излучение характеризуется высокой монохроматичностью, узкой направленностью, высокой интенсивностью и является когерентным.

Для получения индуцированного излучения требуется активная среда, система накачки и система усиления.