3.5.6. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой

В этих лазерах на полупроводник воздействует поток электронов высокой энергии (2..20 кэВ). Эти электроны проникают вглубь полупроводника на десятки микрометров, ионизируя на своем пути атомы кристаллической решетки. Образующиеся свободные электроны переходят на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. Эти возбужденные электроны в свою очередь передают энергию другим атомам решетки. В результате возникает лавина, ослабевающая при удалении от поверхности и создается инверсная заселенность энергетических уровней. При этом энергия электронов в основном тратится на разогрев кристалла, и поэтому теоретический предельный КПД энергетического преобразования “электронный луч–излучение” не превышает 30…40%.

Конструктивно такой лазер выполняется в виде электронно-лучевой трубки с U_раб  10кВ, в которую помещается полупроводниковая пластина (рис.3.13). Поток электронов падает на плоскую грань полупроводника. В тонком поверхностном слое электронный поток создает большое число электронно-дырочных пар (примерно 10 пар на один электрон). Эти пары рекомбинируют и когерентное излучение выходит из пластины в плоскости перпендикулярной направлению потока электронов. Грани полупроводниковой пластины являются зеркалами открытого резонатора. Толщина активного слоя может достигать десятых долей миллиметра в зависимости от энергии потока электронов.

Рис. 3.13. Полупроводниковый лазер с электронной накачкой.

По сравнению с инжекционными лазерами эти лазеры имеют ряд преимуществ.

1. Более высокая мощность излучения (Р_имп до 1 МВт). Это связано с тем, что объем возбужденной активной области в 100..1000 раз больше, чем у ДГ-лазеров.

2. Возможность лазерной генерации практически на любых прямозонных полупроводниках, в том числе на таких, на которых не удается получить p-n переходов.

3. Возможность управления длиной волны излучения, базирующаяся на использовании в качестве мишени варизонных (с плавным изменением в пространстве ширины запрещенной зоны) полупроводников.

4. Низкая угловая расходимость (единицы градусов).

К недостаткам этих приборов следует отнести: наличие объема с высоким вакуумом; низкий реальный КПД (1%) из-за двойного преобразования энергии; сложность и громоздкость системы питания.

Глава 4. Некогерентные источники

излучения. Приемники излучения

0. 4.1. Светодиоды

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэлектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты и масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм² и менее), большой срок службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10⁴...10⁵ ч), высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам (10^-9...10^-5 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения излучения заданного спектрального состава (от синего до красного в видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Типичные значения рабочего тока светодиодов составляют 1...100 мА. Более высо­кая по сравнению с лазерами надежность и стабильность харак­теристик, а также сравнительно простая конструкция светодиодов делают их особенно подходящими для систем связи на короткие расстояния при невысокой информационной пропуск­ной способности.

Светодиоды - полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носи­телей заряда через гомо- или гетеро- p-n переход. Как правило, светодиоды работают в спектральном диапазоне 0,4... 1,6 мкм. Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами - СИД (в этом названии слово «свет» употребляется в узком смысле). В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности. Приборы, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, принято называть ИК-светодиодами. Они, как правило, предназначены для работы в качестве источников излучения в различного рода оптоэлектронных устройствах, в системах автоматического контроля, в датчиках, в системах накачки, ИК-подсветки т. п.

Светодиоды работают при пропускании через них тока в пря­мом направлении. В основе принципа действия светодиода лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого может лежать в видимой или невидимой части спектра. Излучающая структура представляет собой p- n - переход. За счет инжекции электронов в p-область, а дырок n-область вблизи p-n перехода создается неравновесное распределение носителей заряда, как это показано на рис. 4.1. В светодиоде важно обеспечить такие условия, чтобы реком­бинация инжектированных неосновных носителей заряда проис­ходила излучательным путем.

Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма p-n перехода при приложении напряжения.

Рабочее напряжение, которое необ­ходимо приложить к p-n переходу, определяется шириной запре­щенной зоны используемого полупроводникового материала и уровнем его легирования. 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.

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.

Основные достоинства светодиодов как видимого, так ИК-диапазонов обусловлены возможностью непосредственното преобразования электрической энергии в световую с высокой активностью. Поэтому важными характеристиками светодиодов являются эффективность и спектральный состав излучения. Излучательная способность светодиодов характеризуется квантовой эффективностью.

Внутренняя квантовая эффективность – η_вн определяется как отношение числа рожденных в базе фотонов, к числу инжектированных в нее носителей:

. (1)

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

, (2)

где γ – коэффициент инжекции; K_опт – коэффициент вывода излучения из светодиода 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.

Внутренний квантовый выход люминесценции η_вн определя­ется соотношением вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации и зависит от особенностей зонной структуры полупроводника, типа легирующих примесей, их концентрации, а также от степени совершенства материала. Оказалось, что к качеству полупроводниковых материалов, пред­назначенных для изготовления светодиодов, предъявляются еще более жесткие требования, чем к материалам для «обычных» полупроводниковых приборов типа диодов и транзисторов. В первую очередь такие мате­риалы должны содержать ми­нимум дефектов, в том чис­ле - глубоких центров, на ко­торых происходит эффектив­ная безызлучательная реком­бинация. Важно, чтобы ско­рость излучательной рекомбинации превышала скорость безызлучательной. Это условие значительно проще выполнить в прямозонных полупроводниках, поскольку вероятности излучательных переходов там существенно выше, чем в непрямозонных материалах. По этой причине для изготовления светодиодов предпочтительней использовать полупроводники с прямой структурой энергетических зон.

Коэффициент инжекции γ. Как правило, излучательная рекомбинация преобладает в одной из областей (р или n), приле­гающих к p-n переходу. Поэтому р-п переход в светодиоде до­лжен обеспечить преимущественную инжекцию неосновных носи­телей заряда в ту область, где γ максимален. Вблизи границы как гомо-, так и гетеро- р-п перехода не должно быть дефектов решетки, механических напря­жений и нежелательных примесей, которые увеличивают ско­рость безызлучательной рекомбинации.

Коэффициент вывода света K_опт.. Он определяется процес­сами распространения света в активном материале, его отраже­нием и поглощением на границах раздела, в том числе процес­сами полного внутреннего отражения. Величина K_опт представляет собой оптическую эффективность вывода наружу излучения, гене­рируемого в активной области светодиода.

Рис. 4.2. Схематическое изображение плоского светодиода.

Свет, генерируемый в точке А вблизи плоско­сти р-п перехода (рис. 4.2), равномерно излучается в телесный угол 4π стерадиан. Из-за большого значения показателя преломления полупроводника из диода наружу может выйти только малая часть излучения, падающего на верхнюю -грань в пределах конуса с критическим углом θ_кр=агсsin(1/п), где п - показатель преломления среды. Излучение, распространяюще­еся вне этого конуса, испытывает полное внутреннее отражение. Но даже те лучи, которые распространяются в пределах этого конуса, при прохождении границы раздела частично отражаются. Если пренебречь поглощением света внутри диода, то доля излучения, которое может быть выведено из светодиода с плоской геометрией через его верхнюю грань при первом падении на нее световой волны, составляет только 1,5% излучения, генерируемого в точке А. Поэтому оптимизация конструкции светодиода с целью повышения K_опт имеет важное значение для повышения его полной эффективности.

Рис. 4.3. Три конфигурации светодиодов.

Коэффициент вывода света K_опт можно повысить, увеличивая критический угол θ_кр и уменьшая отражение в пределах выходного конуса. На рис. 4.3. показаны поперечные размеры вариантов светоизлучающих диодов, имеющих полусферичсскую, усеченную сферическую и эллипсоидальную геометрию.