3734

осветительной системы, убрать образец, чтобы луч лампы непосредственно попадал на входную щель монохроматора. Установить на монохроматоре скорость развертки 2;

б) затем необходимо записать спектр пропускания образца I( ). Для записи спектра образца необходимо с помощью манипулятора установить образец таким образом, чтобы световой луч падал перпендикулярно поверхности образца. Повторить процедуру регистрации спектра при тех же режимах и параметрах;

в) определить истинное значение коэффициента пропускания образца Т( ):

Т( ) = I( ) / IЛМФ( ).

(1.7)

2.Построить график спектра пропускания образца Т( ) на основании полученных данных. Используя соотношение h (эВ) = 1.24/ (мкм), построить график Т(h ).

3.Используя выражения (1.2) и (1.4), построить график спектра по-

глощения (h ) и график 1/2(h ). Толщина образца арсенида галлия d = 2.5 мкм.

4. По графикам (h ) и 1/2(h) определить ширину запрещѐнной зоны полупроводника как Eg = (Eg1 + Eg2)/2, где Eg1 и Eg2 – ширина запрещѐнной зоны полупроводника, определѐнная из (h ) и 1/2(h) соответственно.

5.Контрольные вопросы

1.Определение коэффициента поглощения: в чѐм измеряется, от чего зависит.

2.Механизмы поглощения света в полупроводниках.

3.Методика определения коэффициента поглощения материала.

4.Методика определения ширины запрещѐнной зоны, используемая в работе.

5.Чем обусловлено расхождение экспериментального и теоретического значений ширины запрещѐнной зоны GaAs при комнатной температуре?

6.Почему край собственного поглощения в Si менее резкий, чем в

GaAs?

10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

1. Цель работы

Ознакомиться с основными спектральными параметрами излучения полупроводниковых диодов. Определить максимум спектра излучения, степень монохроматичности излучения и ширину запрещѐнной зоны активной области. Освоить методику проведения спектрального эксперимента.

2. Полупроводниковые светодиоды

Светодиодом называется оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. В основе действия полупроводниковых светодиодов лежит электролюминесценция.

Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и продолжающееся после прекращения возбуждения в течение времени, которое значительно превышает период световых колебаний.

В зависимости от способа возбуждения различают: 1) фотолюминесценцию; 2) электролюминесценцию; 3) катодолюминесценцию; 4) хемилюминесценцию и др.

Электролюминесценция – это люминесценция, возбуждаемая внешним электрическим полем. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителей заряда через р–n-переход при приложении к нему напряжения U в прямом направлении. Такая люминесценция называется инжекционной. При смещении р–n-перехода в прямом направлении потенциальный барьер снижается на eU, электроны из n-области инжектируются в р-область, а дырки – в n-область.

Инжектированные через р–n-переход неосновные носители заряда диффундируют в глубь материала. За счѐт процессов рекомбинации их концентрация убывает по мере удаления от области объѐмного заряда. Расстояние, на котором их концентрация уменьшиться в e раз, равно диффузионной длине.

11

Таким образом, глубина проникновения электронов в р-область равна их диффузионной длине Ln в р-материале, а глубина проникновения дырок в n-область – диффузионной длине Lp в n-материале.

За счѐт инжекции неосновных носителей заряда через р–n-переход в n- и р-областях будет создано неравновесное распределение носителей. Это распределение можно охарактеризовать с помощью квазиуровней Ферми. Это означает, что уровень Ферми будет расщепляться на два квазиуровня отдельно для электронов Fn* и дырок Fp* (рис. 2.1). Энергетическое расстояние между квазиуровнями Ферми (Fn* – Fp*) вблизи области объѐмного заряда определяется напряжением, приложенным непосредственно к р–n-переходу, равно eU (за вычетом омических потерь).

Рис. 2.1. Квазиуровень Ферми в р–n-пе- реходе при прямом смещении

Концентрация инжектированных неосновных носителей заряда не может превышать концентрацию этих же носителей в эмиттере, где они являются основными. По этой причине для получения инверсной заселѐнности путѐм инжекции неосновных носителей заряда через р–n-переход необходимо, чтобы, как минимум, одна из областей была вырождена.

Характеристики светодиодов и инжекционных лазеров существенно улучшаются при применении гетеропереходов. Гетеропереход представляет собой контакт на атомном уровне двух различных по химическому составу полупроводников в одном монокристалле. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путѐм легирования появляется возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещѐнной зоны и показатель преломления.

В светодиоде важно обеспечить такие условия, при которых рекомбинация инжектированных неосновных носителей заряда происхо-

12

дила бы излучательным путѐм. Рабочее напряжение, которое необходимо приложить к р–n-переходу, определяется шириной запрещѐнной зоны используемого полупроводникового материала и уровнем его легирования. Светоизлучающие диоды, работающие в видимом диапазоне спектра, должны изготавливаться на основе широкозонных полупроводников с Eg 1.8 эВ (что соответствует длине волны 0,689 мкм). Следовательно, типичные значения рабочего напряжения U 1…4 В, типичные значения рабочего тока светодиодов составляют 0.1…100 мА. Эти значения зависят от площади р–n-перехода и ограничены нагревом.

Основным достоинством светодиодов как видимого, так и ИКдиапазонов является возможность непосредственного преобразования электрической энергии в световую с высокой эффективностью. Поэтому важными характеристиками светодиодов являются эффективность и спектральные параметры излучения. Эффективность светодиода представляет собой его КПД и связана с внешним квантовым выходом электролюминесценции e:

= (h/eUраб) e ,

(2.1)

где h – энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, Uраб – приложенное внешнее напряжение.

Прогресс в технологии выращивания эпитаксиальных структур за последние 25 лет привѐл к увеличению эффективности светодиодов более чем в 100 раз. Разработка технологии гетероэпитаксии и применение сначала одинарных, а затем двойных гетероструктур позволило ещѐ на порядок увеличить эффективность светодиодов, доводя еѐ до 10 лм/Вт в лучших промышленных образцах.

Это стало возможным благодаря использованию широкозонного твѐрдого раствора Ga1–xAlxAs c прямой структурой энергетических зон при x < 0,36. В четырѐхкомпонентных твѐрдых растворах (Ga, In, Al)P можно получить прямозонные материалы с Eg ≈ 2.2 эВ.

Светоизлучающие диоды на коротковолновую область видимого спектра, работающие в голубом, синем и фиолетовом диапазонах, могут быть созданы на основе нитрида галлия GaN и гетеропереходов с использованием твѐрдых растворов Ga1–xInxN и Ga1–xAlxN. В данной лабораторной работе используются светоизлучающие диоды на основе твѐрдого раствора (Ga1–xAlx)0.5In0.5P на подложке GaAs, работающие в красном и жѐлтом диапазонах, и светодиоды на основе твѐрдого рас-

13

твора Ga1–xInxN на сапфировой подложке (Al2O3), работающие в синем и зелѐном диапазонах.

Время жизни в возбуждѐнном состоянии конечно, а в силу неопределѐнностей Гейзенберга Е ~ это приводит к неопределенности в энергии состояния, т. е. к «размытию» энергетического уровня на величину порядка Е. Это естественное или радиационное уширение.

Степень и характер уширения энергетических уровней квантовых систем наиболее отчѐтливо проявляются при изучении формы спектральных линий, т. е. характерных узких линий испускания или поглощения, отвечающих определѐнному излучательному квантовому переходу. Исследования энергетического положения, формы и интенсивности спектральных линий в оптическом диапазоне дают ценную информацию о свойствах излучаемых систем.

Распределение интенсивности излучения по частоте в пределах данной линии характеризуется функцией g(ω), которая называется

форм-фактором спектральной линии или просто формой линии. Эта функция нормирована:

	g( )d = 1.	(2.2)

Степень «размазанности» излучения по спектру характеризует понятие монохроматичности излучения. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от еѐ максимума или спектральный диапазон ω( ), занимаемый группой линий.

Более объективной характеристикой является не абсолютная, а относительная ширина спектра ω/ω0 = / 0, где ω0 и 0 – угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

В реальных квантовых системах существует ряд факторов, приводящих к уширению их энергетических уровней и соответственно к уширению спектральных линий. Все виды взаимодействий могут привести к уменьшению среднего времени пребывания частицы в возбуждѐнном состоянии, таким образом, естественная ширина линии является наименьшей. В твердых телах особенно эффективны процессы релаксации из возбуждѐнных состояний при взаимодействии с колебаниями решѐтки и ширина спектральной линии порядка kТ.

14

3. Описание лабораторной установки

Для исследования спектров излучения светоизлучающих диодов используется установка, схема которой представлена на рис. 2.2. Излучение светодиода по световолокну подаѐтся на входную щель дифракционного монохроматора МДР 2, который обеспечивает разложение света в спектр. Свет регистрируется за выходной щелью монохроматора с помощью Si-фотодиода ФД-24, сигнал с которого поступает на самописец ЛКС-4-003.

					R
									СД											3					6
														1										5
																				4
												2

Рис. 2.2. Блок-схема установки:

1 – оптоволокно; 2 – входная щель монохроматора; 3 – монохроматор; 4 – выходная щель монохроматора; 5 – фотодиод ФД-24; 6 – самописец ЛКС-4-003

4.Порядок выполнения работы

1.Определить спектральный диапазон излучения светодиодов.

Для этого подать излучение светодиода на вход монохроматора с помощью оптоволокна. Включить самописец и, вращая ручку барабана развертки монохроматора, по сигналу самописца определить пределы спектрального диапазона излучения min и max. Длину волны излучения определить по формуле

(нм) = 376.8 + 0.496 N,

где N – показания счѐтчика барабана монохроматора.

2.Определить максимум спектра излучения 0 и, принимая интенсивность на этой длине волны за единицу, определить длины волн, соответствующие интенсивности 0.75; 0.5 и 0.25 от максимальной, по обе стороны от максимума спектра излучения.

3.По данным предыдущего пункта построить форму спектральной линии и определить ширину спектральной линии ω и степень монохроматичности излучения, которая определяется как относительная

ширина спектра ω/ω0.

15

4.Определить ширину запрещѐнной зоны активной области диода по формуле

Е(эВ) = 1.24/ 0 (мкм).

5.Повторить предыдущие пункты для каждого светодиода, учитывая следующие рекомендации:

1)напряжение на источнике питания светодиодов не должно превышать 2.5…3 В;

2)диапазон измерений напряжения самописца составляет для красного светодиода –20 мВ; жѐлтого – 1 мВ; зелѐного и синего – 5 мВ.

5.Контрольные вопросы

1.Определение люминесценции. Виды люминесценции.

2.Механизм излучения света в полупроводниках.

3.Принцип действия светодиода.

4.Ширина спектральной линии и степень монохроматичности из-

лучения.

5.Механизмы уширения спектральной линии

6.Чем определяется длина волны генерации полупроводникового светодиода?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

ВАТТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

1. Цель работы

Исследование параметров полупроводниковых светодиодов и полупроводниковых полосковых лазеров. В работе необходимо провести измерения ватт-амперных характеристик излучателей, определить параметры внешней квантовой эффективности для светодиодных излучателей, параметры порогового тока, плотности порогового тока и параметры дифференциальной квантовой эффективности до порога и после порога генерации для лазерного излучателя.

16

2. Устройство и принцип работы лазера

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), или оптический квантовый генератор (ОКГ), – это устройство, преобразующее различные виды энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания, длина волны которых лежит в пределах от 1 мм до 1 нм. Внутри оптического диапазона выделяют видимое (0.38…0.78 мкм), инфракрасное (0.78…1000 мкм) и ультрафиолетовое (0.001…0.38 мкм) излучение. В основе принципа действия лазера лежит явление вынужденного излучения. Вынужденное излучение – это когерентное электромагнитное излучение, возникающее в результате когерентного испускания фотона при квантовом переходе в системе под действием внешнего электромагнитного поля.

Устройство лазера во многом определяется его назначением, мощностью излучения и диапазоном генерируемых волн, но любой лазер содержит три основных элемента: 1) устройство, поставляющее энергию для ее преобразования в лазерное излучение; 2) активная среда;

3)устройство, обеспечивающее оптическую обратную связь. Активной средой называется среда с инверсной населѐнностью.

Инверсная населѐнность – это состояние вещества, при котором населѐнность верхнего энергетического уровня превышает населѐнность нижнего.

Таким образом, среда, в которой создана инверсия населѐнностей, например, между уровнями Е2 и Е1, способна усиливать электромаг-

нитное излучение с частотой 21 = (E2 – E1)/ . Если статистические

веса уровней 1 и 2 равны, то условием инверсии будет N2 > N1. Инверсия населѐнностей является необходимым, но недостаточным условием для получения усиления в среде. Как и в обычных генераторах, генерация в лазерах возможна лишь при выполнении некоторого порогового условия. Достаточным условием будет превышение за один проход усиления, достигнутого за счѐт процессов вынужденного испускания, над всеми возможными потерями, включая потери за счет пропускания одного из зеркал.

Процесс создания инверсной населѐнности называется накачкой. Для обеспечения режима генерации в системе необходимо осуществить положительную обратную связь: часть энергии излучения возвращается в активную среду для еѐ дальнейшего усиления, а оставшаяся часть является выходным излучением. Обратная связь в лазере

17

обеспечивает оптический резонатор, который в значительной мере определяет такие параметры лазерного излучения, как монохроматичность, когерентность, направленность и мощность.

Как и в обычных генераторах, процесс генерации в лазерах развивается из некоторого «затравочного» излучения, которым, как правило, является шум. Шумом, с которого развивается генерация, в данном случае является спонтанное излучение. Спонтанно испущенный фотон вызывает в активной среде вынужденное излучение. Все фотоны, которые распространяются вдоль оптической оси резонатора, отражаются и, проходя в обратном направлении, снова участвуют в создании индуцированного излучения. Эти фотоны формируют продольные (аксиальные) моды лазерного излучения. Фотоны, распространяющиеся под углом к оптической оси резонатора, выходят за пределы активной среды и более не участвуют в поддержании излучения.

В современной лазерной технике в качестве активной среды используются газовые и жидкостные среды, твердые тела и полупроводники.

Полупроводниковые лазеры – источники когерентного излучения, в которых в качестве усиливающей среды используют полупроводниковые соединения. Наибольший интерес представляют лазеры с инжекционным типом накачки. В полупроводниковых активных средах усиление излучения происходит за счѐт межзонных вынужденных переходов. Для того чтобы получить усиление в полупроводниковой среде, необходимо обеспечить преобладание усиления за счет процессов вынужденного излучения в полупроводнике над процессами собственного поглощения. Для этого необходимо создать такие избыточные неравновесные концентрации носителей заряда в зоне проводимости и валентной зоне, при которых расстояние между квазиуровнями Ферми будет превышать ширину запрещенной зоны полупроводника:

Fn – Fp > Eg .

(3.1)

Это означает, что один или оба квазиуровня Ферми Fn и Fp должны находиться внутри разрешенных зон, т. е. возбуждение должно быть настолько интенсивным, чтобы можно было создать вырождение в зоне проводимости и валентной зоне.

Одним из вариантов создания усиливающей полупроводниковой среды является использование вырожденного р–n-перехода. При подаче напряжения в прямом направлении величина потенциального барьера уменьшается, зоны «разгибаются» и в области р–n-перехода может выполняться условие (3.1). Это условие является необходимым, но недос-

18

таточным для получения генерации в системе в целом. Как уже было отмечено ранее, достаточным условием является превышение активного усиления над всеми потерями за один проход фотоном резонатора.

В настоящей лабораторной работе используются три типа светодиодов (СД1, СД2, СД3) высокой яркости, излучающих в красной, зеленой и синей областях спектра соответственно. Длина волны излучения светодиодов определяется шириной запрещенной зоны активной области светодиодов. В светодиоде СД1 активная область представляет собой квантовые ямы на основе твердого раствора In0.5Ga0.5 P, что задает длину волны излучения 0.65 мкм в красной области спектра. В светодиоде СД2 активная область содержит квантовые ямы на основе твердого раствора In0.2Ga0.8 N , что задает длину волны излучения светодиода 0.52 мкм в зеленой области спектра. В светодиоде СД3 активная область представляет собой квантовую яму на основе твердого раствора In0.05Ga0.95 N, что обеспечивает излучение в синей области спектра с длиной волны 0.47 мкм. Все используемые в работе светодиоды являются излучателями высокой яркости, которые характеризуются высокой внешней квантовой эффективностью (до 10 %) и высокой выходной мощностью излучения на уровне единиц милливатт.

Лазерный диод (ЛД), используемый в работе, изготовлен на основе структуры ДГС РО (двойная гетероструктура с раздельным ограничением), активная область ЛД содержит три квантовые ямы на основе твердого раствора In0.5Ga0.5 P, что обеспечивает излучение в красной области спектра с длиной волны 0.65 мкм. Данный тип ЛД характеризуется высокой внешней квантовой эффективностью, большой выходной мощностью и используется в системах DVD стандарта.

3. Описание лабораторной установки

Светодиоды СД1, СД2, СД3 и лазер ЛД размешены в едином блоке (рис. 3.1). Блок содержит также кремниевый фотодиод (ФД) типа ФД24К, используемый для регистрации мощности излучения светодиодов и лазера. Излучение от светодиодов и лазера направляется на фотодиод с помощью гибкого волоконно-оптического кабеля (ВОК) (рис. 3.2). Блок содержит измеритель тока излучателя (1, рис. 3.1), измеритель тока фотодиода (2, рис. 3.1), переключатель режима работы (3, рис. 3.1) и регулятор тока излучателя (4, рис. 3.1). Измеритель тока излучателя 1 показывает ток излучателя в миллиамперах. Измеритель тока фотодиода 2 показывает ток фотодиода в микроамперах. Пере-

19