3. Некогерентные источники излучения

Источники излучения, используемые в оптоэлектронике разнообразны. Однако большинство из них (сверхминиатюрные накальные и газоразрядные лампочки, порошковые и пленочные электролюминесцентные излучатели и ряд других) не удовлетворяют всем требованиям оптоэлектроники и находят применение лишь в отдельных устройствах, главным образом в индикаторных приборах и отчасти оптронах.

Фундамент оптоэлектроники образуют две группы излучателей:

– излучающие полупроводниковые диоды, основанные на принципе спонтанной инжекционной электролюминесценции;

– оптические генераторы когерентного излучения – лазеры.

3.1. Принцип действия излучающих диодов

И

Рис. 3.1

злучающий диод (ИД) представляет собой полупроводниковый, электрически управляемый элемент. Электрические и излучательные свойства ИД зависят от механизма переноса носителей и законов излучательной и безизлучательной рекомбинации в полупроводниках. В основе принципа действия ИД лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого может лежать в видимой или невидимой части спектра.

Излучающая структура представляет собой электронно-дырочный переход (рис.3.1). При подаче на p-n переход прямого смещения начинается инжекция электронов из эмиттерной области в базовую и дырок из базовой области в эмиттерную. Обычно p-n переход выполняется несимметричным и область эмиттера легирована гораздо сильнее области базы. Прямой ток, текущий через переход складывается из токов электронов и дырок, которые и определяют число актов излучательной (в p-области) и безизлучательной (в n-области) рекомбинации. В базовую область дополнительно вводят нейтральную примесь, например, кислород или азот. Введение примеси не приводит к образованию в полупроводнике дополнительных носителей заряда, но способствует генерации излучения.

В

Рис. 3.2

соответствие с квантовой теорией возбужденный электрон, инжектированный в базовую область, рекомбинируя с дыркой испускает квант энергии излучения – фотон (рис. 3.2). При этом максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации равна ширине запрещенной зоны полупроводника:

; =1,24/Е_3.

Следует отметить, что излучательная рекомбинация может протекать и между примесными уровнями. Вводя в полупроводник примеси различного вида с различной E_пр можно в некоторых пределах изменять спектр излучения. Излучательная способность светодиодов характеризуется квантовой эффективностью.

Внутренняя квантовая эффективность – _вн определяется как отношение числа рожденных в базе фотонов, к числу инжектированных в неё носителей:

.

Для практических целей излучательную способность светодиода удобнее характеризовать внешней квантовой эффективностью – _внеш. Она определяется как отношение числа фотонов, испускаемых светодиодом во внешнюю среду к полному количеству носителей носителей заряда протекающих через него:

,

где – коэффициент инжекции p-n перехода (=I_п/I); K_опт – коэффициент вывода излучения из ИД через его оптическую систему.

Введение коэффициента K_опт связано с тем, что часть фотонов, рожденных в базе поглощается по пути к оптической поверхности диода, а часть из них отражается от поверхности раздела полупроводник–внешняя среда. Следует отметить, что К_опт определяется только конструкцией диода и не зависит от его электрических параметров.

Для плоских конструкций светодиодов _внеш1.5…2 %, а для сферических – _внеш15…30 %.