Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры
Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры
Ш2
ш1.5
1Министерство науки, высшей школы и технической
политики РФ
1Московский Государственный Институт Электроники
и Математики
1Факультет
Электронной Техники
1Кафедра -
Материаловедение
1электронной техники
1РЕФЕРАТ
1на тему 3 Материалы
оптоэлектроники.
3Полупроводниковые светоизлучающие
структуры. 0
1Выполнил студент
группы И-41
1Офров С.Г
1Руководитель Петров
В.С.
1Реферат защищён с
оценкой _________
_____________________________
(подпись
преподавателя, дата)
1Москва 1994
ш0
.
- 1 -
Материалы оптоэлектроники.
Полупроводниковые светоизлучающие структуры.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
1.1. Предмет оптоэлектроники.
Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и
техники,
занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и
приёма),
переработки (преобразования), запоминания и хранения
информации
на основе использования двойных (электрических и
оптических) ме-
тодов и средств.
Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК)
прибор,
чувствительный к электромагнитному излучению в видимой,
инфра-
красной или ультрафиолетовой областях; или прибор,
излучающий и
преобразующий некогерентное или когерентное излучение в
этих же
спектральных областях; или прибор, использующий такое
электро-
магнитное излучение для своей работы.
Обычно подразумевается также
"твердотельность" оптоэлек-
тронных приборов и устройств или такая их структура (в
случае
использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализа-
цию с применением методов современной интегральной
техники в
микроминиатюрном исполнении. Таким образом,
оптоэлектроника ба-
зируется на достижениях целого ряда достижений науки и
техники,
среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая
элек-
троника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и
техно-
логия, а также нелинейная оптика, электрооптика,
голография, во-
локонная оптика.
- 2 -
Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств
связа-
ны с тем, что в качестве носителя информации в них
наряду с
электронами выступают электрически нейтральные
фотоны. Этим
обуславливаются их основные достоинства:
1. Высокая информационная ёмкость оптического
канала.
2. Острая направленность излучения.
3. Возможность двойной модуляции светового луча - не
только
временной, но и пространственной.
4. Бесконтактность, "элетропассивность"
фотонных связей.
5. Возможность простого оперирования со зрительно
восприни-
маемыми образами.
Эти уникальные особенности открывают перед
оптоэлектронными
приборами очень широкие возможности применения в
качестве эле-
ментов связи, индикаторных приборов, различных датчиков.
Тем са-
мым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную,
долю в
комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной
аппаратуры.
Дальнейшее развитие и совершенствование средств
оптоэлектроники
служит техническим фундаментом разработки
сверхвыскопроизводи-
тельных вычислительных комплексов, запоминающих
устройств ги-
гантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного
телеви-
дения и инфравидения.
Основу практически любой оптоэлектронной системы
составляет
источник излучения: именно его свойства и определяют, в
первую
очередь, лицо этой системы. А все источники можно
подразделить
на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с
некогерентным
(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с
использо-
ванием когерентного или некогерентного света обычно
резко отли-
чаются друг от друга по важнейшим характеристикам.
- 3 -
Всё это оправдывает использование таких терминов как
"коге-
рентная оптоэлектроника" и "некогерентная
оптоэлектроника". Ес-
тественно, что чёткую грань провести невозможно, но
различия
между ними очень существенны.
История оптоэлектроники ведёт своё начало с
открытия опти-
ческого квантового генератора - лазера (1960 г.).
Примерно в то
же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое
распростране-
ние светоизлучающие диоды, полупроводниковые
фотоприёмники, уст-
ройства управления световым лучом и другие элементы
оптоэлектро-
ники.
1.2. Генерация света.
Оптический диапазон составляют электромагнитные
волны, дли-
ны которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический
диапазон за-
мечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо
проявляется
корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и
соответствующие
ей частота колебаний и длина волны света связаны
следующими со-
отношениями:
ш1 7
7)
7n 0[Гц] =
3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2
78
7e 4ф 0[эВ] =
1,234/ 7l 0[мкм] 7 2
70
ш0
При известной удельной мощности P плотность
фотонного пото-
ка N определяется выражением
N[м 5-2 0с 5-1 0] =
5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].
Все светогенерационные эффекты относят либо к
тепловому из-
лучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр
излучения
- 4 -
нагретого тела определяется формулой Планка, которая для
так на-
зываемого абсолютно чёрного тела имеет вид
f( 7l 0,T) =
2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0))
- 1] 5-1 0,
где h, c, k - известные универсальные константы; T -
абсолютная
температура. При достаточно высоких температурах
(>2500...3500 К)
часть спектра теплового излучения приходится на видимую
область.
При этом, однако, всегда значителен длинноволновый
"хвост".
Люминесценция представляет собой излучение,
характеризующе-
еся тем, что его мощность превышает интенсивность
теплового из-
лучения при данной температуре ("холодное"
свечение).
Известно, что электроны в атоме могут находиться
в ряде
дискретных энергетических состояний, при тепловом
равновесии они
занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе
за счёт
энергии того или иного внешнего воздействия часть
электронов пе-
реходит на более высокие энергетические уровни
E 42 0. Возвращение
этих электронов на равновесный уровень E 41 0
сопровождается испус-
канием фотонов с длиной волны, определяемой простым
соотношением:
ш1
1,23
7l 0 = ─────────────
[мкм]
(E 42 0 -
E 41 0)[эВ]
ш0
Физика люминесценции предопределяет две
примечательные осо-
бенности процесса: узкий спектр излучения и возможность
исполь-
зования большого числа способов возбуждения. В
оптоэлектронике
главным образом используются электролюминесценция
(пробой и ин-
жекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и
катодо-
люминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми
электронами).
При распространении световых лучей важную роль
играет диф-
ракция, обусловленная волновой природой света и
приводящая, в
- 5 -
частности, к тому, что выделенный с помощью оптической
системы
параллельный пучок становится расходящимся, причём угол
расходи-
мости близок к 7f 4D 0 = 7
l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).
Дифракционный предел разрешающей способности оптических
систем
соизмерим с 7 l 0, а плотность записи
информации с помощью световых
потоков не может превысить 7 l 5-2 0.
В веществе с показателем преломления n скорость
распростра-
нения светового луча становится c/n, а поскольку
величина n за-
висит от длины волны (как правило, растёт с
уменьшением 7 l 0), то
это обуславливает дисперсию.
1.3. Источники излучения.
Оптоэлектроника базируется на двух основных видах
излучате-
лей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих
диодах
(некогерентное излучение).
В оптоэлектронике находят применение маломощные
газовые,
твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость
газового
наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень
монох-
роматичности, одномодовость, стабильность частоты,
острую на-
правленность и, в конечном счёте, когерентность
излучения. В то
же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие
недостатки
газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот
вид ОКГ
как универсальный оптоэлектронный элемент.
Значительные мощности излучения твердотельных
лазеров обус-
лавливают перспективность применения этих генераторов в
дально-
действующих волоконнооптических линиях связи.
Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных
приме-
- 6 -
нений представляют полупроводниковые лазеры благодаря
высокому
к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте
уп-
равления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе
тройного
полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре
тонкий
слой n-типа проводимости "зажат" между
областями n- и p-типов
того же материала, но с большими значениями концентраций
алюми-
ния и соответственно этому большими ширинами запрещённой
зоны. В
роли резонатора может также выступать поверхностная
дифракцион-
ная решётка, выполняющая функцию распределённой
оптической об-
ратной связи.
Для оптоэлектроники особый интерес представляют
полупровод-
никовые излучатели - инжекционные (светодиоды) и
электролюминес-
центные (электролюминофоры). В первых излучение
появляется в ре-
зультате рекомбинации дырок с инжектированными через
pn-переход
электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его
высве-
чивание. В зависимости от материала диода и примесей в
нём меня-
ется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый,
зелёный, си-
ний (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с
углеродом и
пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия
с мышь-
яком генерируют невидимое излучение с длиной волны
0,9...0,92
мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют
макси-
мальную чувствительность. Для светодиодов характерны
малые раз-
меры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы
(до 100 тыс. ч.) и быст-
родействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с),
низкие рабочие напряжения (1,6...3,5
В) и токи (10...100 мА).
.
- 7 -
ш1.5
Л+
Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.
╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗
║ Полупро- │ 4o 0 5
0│ Цвет │Эффектив-│ Быстродействие, ║
║ водник │ 7l 0,A │
│ность, % │ нс ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaAs │ 9500 │ ИК │
12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
║ │ 9000 │ │
2 │ 10 5-9 0...10 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaP │ 6900 │ Красный │
7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
║ │ 5500 │ Зелёный │
0,7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaN │ 5200 │ Зелёный │
0,01 │ ║
║ │ 4400 │ Голубой │
0,005 │ ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ GaAs 41-x 0P 4x 0 │
6600 │ Красный │ 0,5 │
3 77 010 5-8 0 ║
║ │ 6100 │ Янтарный │
0,04 │ 3 77 010 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ Ga 41-x 0Al 4x 0As │
8000 │ ИК │ 12 │ 10 5-8 0 ║
║ │ 6750 │ Красный │
1,3 │ 3 77 010 5-8 0 ║
╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢
║ │ 6590 │ Красный │
0,2 │ ║
║ In 41-x 0Ga 4x 0P │
6170 │ Янтарный │ 0,1 │ ║
║ │ 5700 │ Желто- │
0,02 │ ║
║ │ │ зелёный │
│ ║
╚════════════╧══════╧══════════╧═════════╧═════════════════╝
ш0
Л-
Излучатели на основе люминофоров представляют собой
порош-
ковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на
стеклянной
прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет
электролюминофор
на основе соединения цинка с серой, который излучает
свет под
действием сильного знакопеременного электрического
поля. Такие
светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных
размеров
(от долей сантиметра квадратного до десяти и более
квадратных
метров), различной конфигурации, что позволяет
изготавливать из
- 8 -
них знако-буквенные индикаторы, отображать различные
схемы, кар-
ты, ситуации.
В последнее время для малогабаритных устройств
индикации
широко стала использоваться низковольтная
катодолюминесценция -
свечение люминофора под действием электронного луча.
Такие ис-
точники излучения представляют собой электровакуумную
лампу,
анод которой покрыт люминофором, излучающим красный,
жёлтый, зе-
лёный, синий свет при попадании на него ускоренных
электрическим
полем электронов. Простота конструкции, низкая
стоимость, боль-
шие яркости и большой срок службы сделали
катодолюминесценцию
удобной для различных применений в оптоэлектронике.
2. СВЕТОДИОДЫ.
Наиболее перспективными источниками излучения для
оптоэ-
лектроники являются светодиоды. Такими их делают малые
габариты
Страницы: 1, 2
|