8.4. Основные виды генерации оптического излучения в полупроводниках:

– электролюминесценция;

– стимулированное излучение.

В общем случае полупроводниках излучение света может происходить двумя способами. При первом способе              электроны в атоме , находящиеся на энергетическом уровне Е2, без постороннего вмешательства переходят        на более низкий энергетический уровень Е1, испустив при этом квант света (так называемое спонтанное излучение).            При втором способе электроны, находящиеся на уровне Е2 подвергаются воздействию света с определенной       длиной волны, пори этом атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию. Этот способ называется стимулированное излучение Люминесценция - это явление, при котором вещество, поглощая энергию света или какого-либо другого излучения (либо под воздействием различных химических реакций) переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное состояние, излучает полученную энергию в виде света. Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения называется флюорисценцией, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция. В зависимости от способа возбуждения люминесценция делится на несколько видов:         1. фотолюминесценция - свечение вещества при облучении светом;         2. катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов;         3. электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля;        4. антистоксовая люминесценция - свечение, энергия (частота) которого выше энергии (частоты) возбуждающего   излучения, и стоксовая люминесценция - при которой энергия свечения ниже частоты возбуждающего излучения.

В полупроводниках возможны два основных явления:

• Инжекционная люминесценция.

• Излучательная рекомбинация.

8.5.Внутренняя квантовая эффективность полупроводникового излучателя.

Полупроводниковые материалы разделяются на прямозонные и непрямозонные. В прямозонных материалах процессы переходов носителей с уровня на уровень происходят без задержки и сопровождаются высокой квантовой эффективностью.

Рисунок 8.11. Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов

Квантовая эффективность — физическая величина, характеризующая фоточувствительные приборы и материалы (фотопленка, ПЗС-матрица, однофотонный детектор и др.), равная отношению числа фотонов, поглощение которых образцом вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощенных фотонов. Обычно выражается в процентах. Это количественная мера световой чувствительности. Поскольку энергия фотонов зависит от длины волны, квантовую эффективность также измеряют для различных диапазонов длин волн. Квантовая эффективность фотопленки составляет для видимого света около 10 %, в то время как у ПЗС-матриц она может достигать 90 % для некоторых длин волны.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри запрещенной зоны могут создаваться дискретные энергетические уровни. Примесные полупроводники образуют разные виды проводимости электрического тока – электронную и дырочную.

В источниках света необходимо добиваться максимального значения

параметра, называемого внутренней квантовой эффективностью _внутр.

Он определяется отношением числа генерируемых фотонов к числу

носителей, пересекающих переход. Эта величина зависит от относительной

вероятности излучательных и безизлучательных переходов. Эта вероятность в

свою очередь зависит от структуры перехода примесных уровней в

полупроводнике и от типа полупроводника.

Внутренняя квантовая эффективность материала определяется выражением

.

(8.9)

Из этого соотношения видно, что для повышения эффективности

необходимо добиваться снижения отношения .

Полупроводниковые материалы разделяются на прямозонные и

непрямозонные. В прямозонных материалах процессы переходов носителей

с уровня на уровень происходят без задержки и сопровождаются высокой

квантовой эффективностью. При непрямым переходах в

непрямозонных полупроводниках при рекомбинации излучается фотон,

а разница в импульсах компенсируется с помощью колебания решетки и внутренняя квантовая эффективность оказывается низкой.

Базовыми материалами для изготовления источников являются следующие прямозонные материалы: арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP, трех и четырехкомпонентные соединения на их основе – GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), GaInAsP (фосфид галлия индия и арсенида), InGaAs (арсенид индия и галия). Материалы пригодны для массового изготовления источников и безопасны при работе с ними.

Рис.8.12. Прямые (слева) и непрямые (справа) межзонные излучательные переходы