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=51015 l Pф (2.3)
|
Рис.2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP). |
где Nф, см-2с-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.
|
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 hint100%.
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:
(2.5)
Очевидно, что пределы возможного изменения g те же, что и у hint, т. е. 0 g 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 Копт 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 поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники “работают” на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений:
Eф1=hn1Ec-Ev (2.6)
Eф2=hn2Ec-Et (2.7)
Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения lгр:
