б) Токи велики.

Характеристика сублинейна, так как при больших плотностях тока j в слое, где происходит рекомбинация носителей, будет существенное отклонение от равновесного состояния, что, в свою очередь, будет приводить к увеличению вероятности безизлучательной рекомбинации или рекомбинации с излучением квантов энергии, не соответствующих энергии квантов видимого света.

Оптимальный режим - дифференцирование видом его яркостной харак­теристики и наоборот, при конструировании светодиода определенного назна­чения необходимо создать определённую структуру р-n-перехода для обеспе­чения «max» квантового выхода в соответствующем диапазоне плотностей тока j.

3. Нижний и верхний диапазоны рабочих напряжений.

Нижний - определяется энергией излучения квантов.

Верхний - определяется допустимой рассеиваемой мощностью, его зна­чение зависит от контактной разности потенциалов φ_к р-n-перехода и сопро­тивления базы диода.

Светодиод - прибор, управляемый током, правильнее было бы говорить и

о рабочем диапазоне токов.

Однако диапазон рабочих напряжений (особенно верхний предел), важен с точки зрения выбора источника питания для этого прибора.

Спектральная характеристика светодиода

Рисунок 3. Спектральная характеристика светодиода

18

1. Вольт-амперная характеристика светодиода.

ВАХ светодиода аналогична ВАХ обычной диодной структуры.

2. Инерционность светодиода

Характеризуется временем разгорания и затухания электролюминесцен­ции при импульсном возбуждении светодиода, которые принято измерять меж­ду яркостями 0,1 и 0,9 от максимальной.

Инерционность может определяться временем перезаряда барьерной ем­кости С_бар и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей за­ряда.

τ мало для большинства светодиодов и составляет величину τ≈10^-1 ÷ 10^-2

мкс.

3. КПД или эффективность светодиода.

Зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции светодиода.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер - это излучающий полупроводниковый при­бор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии или энергии некогерентного излучения в энергию когерентного излу­чения.

В полупроводниковых лазерах или ОКГ (оптический квантовый генера­тор ) излучение, так же, как и в светодиодах, порождается рекомбинацией элек­тронов и дырок. Однако, в отличие от светодиодов, эта рекомбинация вынуж­денная. Излучение при вынужденной рекомбинации получается когерентным.

Для преобладания вынужденной рекомбинации над поглощением кван­тов света необходимо, чтобы верхние энергетические уровни были более за­полнены электронами, чем нижние (реализуется состояние инверсии населен­ности).

Инверсную населенность можно создать:

1. С помощью инжекции носителей заряда при прямом включении р-n-перехода;

19

2. Путем электронного возбуждения (бомбардировка полупроводника пучком быстрых электронов);

3. С помощью оптической накачки;

4. Путем использования эффектов сильного электрического поля, то есть лавинного умножения носителей заряда или туннелирования электронов.

Наиболее интересным с практической точки зрения является первый тип создания инверсной населённости. Поэтому рассмотрим инжекционные лазеры.

Конструкция и технология изготовления инжекционных лазеров

Инверсную населенность в инжекционных лазерах с р-n-переходом мож­но получить, если одна из областей диодной структуры является вырожденной, то есть содержит большую концентрацию примеси.

При прямом включении р-п-перехода прямой ток состоит из двух состав­ляющих - электронной и дырочной. Чем больший ток проходит через р-n- переход, тем с большим запасом выполняется условие инверсной населенности.

Минимальный ток, при котором начинает преобладать вынужденная ре­комбинация, называется пороговым током.

Если ток, проходящий через р-n-переход, больше порогового, то р-n- переход является усиливающей средой для света, распространяющегося в плоскости р-n-перехода. Число актов вынужденной рекомбинации можно увели­чить, если обеспечить прохождение каждого кванта света несколько раз в плоскости р-n-перехода. Для этого две противоположные грани монокристалла по­лупроводника делают строго параллельными и тщательно полированными.

Подобные действия обеспечивают (без металлизации) отражение от торцов до 35% квантов света в силу большого коэффициента преломления полу­проводникового материала. После многократного отражения от полированных торцов и соответствующего многократного прохождения вдоль р-n-перехода свет выходит из полупроводника (см. рис. 4).

20

Рисунок 4. Структура полупроводникового инжекционного лазера: 1 - активная область с инверсной населённостью;

Схема образования фотонной лавины в оптическом резонаторе После многократного отражения от полированных торцов и соответст­вующего многократного прохождения вдоль р-n-перехода свет выходит из по­лупроводника. Кванты света, двигающиеся строго перпендикулярно торцам кристалла, могут много раз пройти через активную область с инверсной насе­ленностью и тем самым создать большую лавину квантов света. Две другие грани должны быть скошены под углом, чтобы воспрепятствовать возникнове­нию генерации света между ними.

21

Рисунок 4. Конструкция полупроводникового инжекционного лазера

1. - нижний электрод (молибденовая пластина);

2. - область n-типа;

3. - активная область с инверсной населённостью;

4. - область р-типа;

5. - полированные торцы поверхности;

6. - верхний электрод.

Те кванты света, которые двигаются не вдоль р-п-перехода и не перпен­дикулярно торцам кристалла, уходят из активной зоны и не вызывают вынуж­денной рекомбинации.

Для изготовления инжекционных лазеров используют GaАs, твердые рас - творы GaAs_xP_1-x, InAs, InР и другие полупроводниковые материалы. Наи­большее распространение получили инжекционные лазеры на основе GaАs.

В качестве исходной заготовки для таких лазеров служит монокристалл GaAs в форме куба или параллелепипеда со сторонами в несколько десятых до­лей миллиметра.

В GaAs n-область создается легированием Те, Se и другими, р-область создается легированием Zn, Cd и другие. Концентрация доноров и акцепторов в соответствующих областях должна быть такой, чтобы реализовывалось состоя­ние, близкое к вырождению.

Для создания невыпрямляющего контакта с n-областью монокристалл с диодной структурой припаивают к пластине молибдена, покрытой слоем золо­та . На поверхность р-области наносят сплав золота с серебром.

22

Инверсную населенность проще можно создать в полупроводниковом инжекционном лазере с гетеропереходами.

б) при прямом напряжении

б) при прямом напряжении

Базовую область такой структуры делают из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны и большей диэлектрической проницаемостью, чем у эмиттерных областей. Инжектированные в базу носители заряда оказываются в потенциальных ямах. Различие показателей преломления базовых и эмиттерных областей приводит к полному внутреннему отражению квантов света на гетеропереходах, то есть область базы по существу является световодом.

23

а) без приложения напряжения

Основные характеристики и параметры инжекционных лазеров

1. Пороговая плотность тока (j_пор).

j_пор зависит от температуры инжекционного лазера.

Для лазеров на основе GaAs:

j_пор = 10² А / см² при T = 4,2 К;

j_пор = 10⁴ А / см² при T = 77 К.

Следовательно, для уменьшения j_пор необходимо глубокое охлаждение инжекционного лазера.

Инжекционные лазеры на основе гетеропереходов имеют j_пор значи­тельно меньшие и могут работать при Т_комн в непрерывном режиме.

2. Спектральная характеристика лазера..

I - интенсивность излучения

1 при < j _пор

2 при] > j _пор

Если j < j_пор, излучение возникает, в основном, из-за самопроизвольной

рекомбинации и является некогерентным. Лазер ведет себя как светодиод.

Если j > j_nop, излучение когерентно и строго направлено.

3. Диаграмма направленности излучения лазера.

24