1. Процес оптичного випромінювання з напівпровідникових структур.
Напівпровідникові джерела випромінювання, до яких відносяться лазери і світлодіоди, що перетворюють енергію електричного поля в електромагнітне випромінювання знаходять найбільш широке застосування в волоконно-оптичних системах і датчиках. Їх основними перевагами є: високий ККД перетворення електричної потужності в світло, простота збудження і модуляції випромінювання, малі розміри і вага поряд з високою надійністю і вихідною потужністю випромінювання.
В основі функціонування напівпровідникових джерел випромінювання лежить явище инжекционной електролюмінісценціі - випромінювання світла напівпровідниковими структурами під дією електричного поля.
Фізична сутність ефекту електролюмінісценціі полягає в наступному. Відповідно до законів квантової механіки енергія електрона в атомі і енергія атома в цілому не довільні. Вона може мати лише певний, дискретний ряд значень, які називаються рівнями. Однак на практиці це положення справедливе для окремих атомів або атомів, що знаходяться один від одного на відстанях, коли взаємодія між ними практично відсутній, наприклад, в виряджених газах.
У твердих тілах атоми зближені настільки, що вони взаємодіють між собою і результатом цієї взаємодії є спотворення енергетичних рівнів в системі, що приводить до того, що в результаті з дискретних енергетичних рівнів в кристалі утворюються смуги або зони дозволених станів енергії, розділені забороненими зонами, т. е. зонами значень енергій, де електрони не можуть знаходитися.
На рис.5.2 наведені енергетичні діаграми твердих тіл, що характеризуються 3 мя типами провідності: ізолятора, провідника (метал) і напівпровідника n і р типів. Заштрихованими показані області знаходження носіїв зарядів (електронів).
Рис.5.2 Енергетичні діаграми різних матеріалів:
ізолятора; провідника; напівпровідника n-типу, і напівпровідника р-типу
Зонами, що визначають типи провідності твердого тіла, є валентна зона і зона провідності, розділені забороненою зоною, ширина якої визначає величину енергії, яку необхідно надати електрону, що б він перейшов з нижньої валентної зони в зону провідності.
У напівпровідниках крім валентної зони і зони провідності можуть існувати і домішкові зони (донорні і акцепторні), що є наслідком наявності домішки в кристалі.
У рівноважному стані (відсутність зовнішнього впливу) електрони в кристалі прагнуть зайняти рівні з найменшою енергією (нижчі рівні). В результаті, нижчі енергетичні стану виявляються заповненими, а більш високі порожніми. Для певних речовин, які називаються ізоляторами або діелектриками (скло, ебоніт, кварц), все без винятку електрони перебувають на нижчих рівнях валентної зони, зона провідності порожня і в підсумку ця речовина не проводить електричний струм. Для металів спостерігається інша ситуація, коли електрони заповнюють не тільки валентну зону, а й значна частина їх знаходиться в зоні провідності, що забезпечує металів електропровідні властивості, вони є провідниками струму. Крім цих 2 х станів речовини існує і проміжний варіант - напівпровідники, в яких за певних умов можуть існувати носії заряду, які проводять струм як в зоні провідності так і в валентної зоні (а також і в примесной зоні) Залежно від типу домішок в напівпровіднику існує провідність по вільній зоні (n-типу), валентної (р-типу), а також домішкових провідність. Ширина забороненої зони визначає величину енергії, яку необхідно надати електрону, щоб він перейшов з нижньої валентної зони в зону провідності.
Якщо систему носіїв в напівпровіднику вивести з рівноваги, наприклад, пропустивши через напівпровідник електричний струм, то носії заряду, електрони, отримують додаткову енергію і можуть переходити з нижчих станів в більш високі, тобто з валентної зони в зону провідності. Для того, щоб перейти з валентної зони в зону провідності електрони, як мінімум, повинні отримати додаткову енергію рівну ширині забороненої зони =, наприклад, за рахунок доданої до напівпровідника електричного поля. Таким чином, під впливом запропонованого електричного поля в напівпровіднику виникає електричний струм і утворюються нерівноважні носії заряду: електрони в зоні провідності і їх вакансії (або дірки) в валентної зоні. Нерівноважні носії в даному випадку електрони можуть переходити назад в стані з нижчими рівнями енергії або, як кажуть, рекомбинировать з дірками. При цьому електроном звільняється енергія, отримана ним від зовнішнього впливу. Ця енергія може передаватися атомом решітки - це безізлучательная рекомбінація; або випускати у вигляді кванта оптичного випромінювання - це пряма випромінювальна рекомбінація. Якщо ці ефекти відбуваються під дією електричного поля, то це явище називається електролюмінісценціей. Імовірність прямий випромінювальної рекомбінації стає важливою лише при досить великих концентраціях нерівноважних носіїв і залежить від зонної структури матеріалу. Для ефективної електролюмінісценціі необхідно вибирати напівпровідники з прямою зонної структурою, у яких імпульс електрона при переході із зони в зону зберігається (наприклад, GaAs, GaР). Таким чином, під дією електричного поля в напівпровіднику виникають або генеруються електронно-діркові пари. Одночасно з генерацією може відбуватися і зворотний процес - електрони мимовільно спонтанно падають вниз на незайняті рівні валентної зони з випромінюванням кванта енергії. Цей тип рекомбінації і випромінювання називається спонтанним.
Спонтанне випромінювання характерно для напівпровідникових світлодіодів.
Крім спонтанної рекомбінації в напівпровідниках може мати місце і вимушена рекомбінація електронів і дірок, що призводить до вимушеного або индуцированному випромінювання системи. Вимушена рекомбінація відрізняється від спонтанної тим, що електрон із зони провідності падає в валентну зону не довільно, а змушене, під дією фотона або кванта світла, енергія якого близька до. При цьому випромінюється вторинний фотон, тотожний за частотою, енергії, напрямку поширення і поляризації з фотоном, що викликав рекомбінацію. Це означає, що в напівпровіднику (або структурі) можливі посилення і генерація світла, тобто на основі напівпровідникових структур можливе створення лазерів і підсилювачів світла.
Для того щоб змусити напівпровідник посилювати падаюче світло, а не поглинати його, необхідно сильно порушити рівноважний розподіл електронів в ньому з тим, щоб електрони повністю заповнили область, що примикає до дна зони провідності, а дірки сконцентрувалися у стелі валентної зони. Такий стан напівпровідника називається виродженим і реалізується за допомогою додаткового легування або введення домішок в полупровднік. При такому заповненні зон коефіцієнт поглинання фотонів у вузькому інтервалі енергій, що перевищують рівні Фермі для електронів і дірок стає негативним, так як, поширюючись в такому середовищі фотон, має рівну ймовірність викликати перехід електронів з нижнього енергетичного стану в верхнє і навпаки. Згідно квантової статистики, в рівноважному стані функція розподілу електронів по енергіях в напівпровіднику залежить тільки від енергії електрона і має вигляд:
де є середній термодинамічний потенціал на 1 електрон або ще званий хімічним потенціалом або рівнем Фермі. Зонна структура такого напівпровідника приведена на рис. 5.3.
ЕНЕРГЕТИЧНА зонна ДІАГРАМА НАПІВПРОВІДНИКА
Так як всі рівні в зоні провідності заповнені, то цей ефект переважно викликатиме вимушене випромінювання світла. Це і є процес оптичного посилення світла, коли частина енергії, запасеної в напівпровіднику, передається полю випромінювання, тобто перетвориться в світло.
Якщо ввести позитивний зворотний зв'язок, наприклад, помістити активне середовище між дзеркалами, то можна забезпечити умова, коли посилення перевищить втрати, і ми отримаємо лазерну генерацію світла в напівпровіднику.
Найбільш простим і поширеним способом збудження електронів в напівпровіднику є інжекція неосновних носіїв через р-n перехід. З цією метою формують р-n перехід з сильно легованих р і n областей напівпровідника. Якщо обидві області р-n переходу сильно леговані, то додаток до р-n переходу прямого зміщення викликає інжекції електронів в р-область. Таким чином, поблизу р-n переходу створюються концентрації носіїв достатні для виникнення індукованого випромінювання і лазерного ефекту при наявності дзеркал (рис.5.4). На рис.5.5 і 5.6 показані принципи генерації в лазері і светодиоде.
Інжекції НОСІЇВ ЧЕРЕЗ P-N ПЕРЕХІД