Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

Ш2

ш1.5

1Министерство науки, высшей школы итехнической политики РФ

1Московский Государственный ИнститутЭлектроники и Математики

1Факультет Электронной Техники

1Кафедра- Материаловедение

1электронной техники

1РЕФЕРАТ

1на тему 3 Материалы оптоэлектроники.

3Полупроводниковыесветоизлучающие структуры. 0

1Выполнилстудент группы И-41

1Офров С.Г

1Руководитель Петров В.С.

1Рефератзащищён с оценкой _________

_____________________________

(подписьпреподавателя, дата)

1Москва 1994

ш0

.

— 1 -

Материалы оптоэлектроники.

Полупроводниковые светоизлучающиеструктуры.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.

1.1. Предмет оптоэлектроники.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники,

занимающийсявопросами генерации, переноса (передачии приёма),

переработки(преобразования), запоминания и храненияинформации

на основеиспользования двойных (электрических и оптических) ме-

тодов и средств.

Оптоэлектронный прибор — это (порекомендации МЭК) прибор,

чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфра-

красной илиультрафиолетовой областях; или прибор,излучающий и

преобразующийнекогерентное или когерентное излучениев этих же

спектральныхобластях; или прибор, использующий такое электро-

магнитноеизлучение для своей работы.

Обычно подразумевается также «твердотельность» оптоэлек-

тронныхприборов и устройств или такая их структура (в случае

использованиягазов и жидкостей), которая допускала быреализа-

цию с применением методов современной интегральной техники в

микроминиатюрномисполнении. Таким образом,оптоэлектроника ба-

зируется на достижениях целого ряда достижений науки итехники,

среди которыхдолжны быть выделены прежде всегоквантовая элек-

троника,фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и техно-

логия, а такженелинейная оптика, электрооптика, голография, во-

локонная оптика.

— 2 -

Принципиальные особенности оптоэлектронныхустройств связа-

ны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с

электронамивыступают электрически нейтральные фотоны. Этим

обуславливаютсяих основные достоинства:

1. Высокая информационная ёмкость оптическогоканала.

2. Острая направленность излучения.

3. Возможность двойной модуляции световоголуча — не только

временной, но ипространственной.

4. Бесконтактность,«элетропассивность» фотонных связей.

5. Возможность простого оперирования созрительно восприни-

маемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают передоптоэлектронными

приборами оченьширокие возможности применения в качестве эле-

ментов связи,индикаторных приборов, различных датчиков. Тем са-

мым оптоэлектроникавносит свою, очень значительную, долю в

комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.

Дальнейшееразвитие и совершенствование средств оптоэлектроники

служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводи-

тельныхвычислительных комплексов, запоминающих устройств ги-

гантской ёмкости,высокоскоростной связи, твердотельного телеви-

дения иинфравидения.

Основу практически любой оптоэлектроннойсистемы составляет

источникизлучения: именно его свойства иопределяют, в первую

очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить

на две большиегруппы: с когерентным (лазеры) и снекогерентным

(светоизлучающиедиоды и др.) излучением. Устройства с использо-

ваниемкогерентного или некогерентного света обычно резко отли-

чаются друг отдруга по важнейшим характеристикам.

— 3 -

Всё это оправдывает использование такихтерминов как «коге-

рентнаяоптоэлектроника" и «некогерентная оптоэлектроника». Ес-

тественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия

между ними оченьсущественны.

История оптоэлектроники ведёт своё началос открытия опти-

ческогоквантового генератора — лазера (1960 г.). Примерно в то

же время (50-60-егг.) получили достаточно широкое распростране-

ниесветоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, уст-

ройствауправления световым лучом и другие элементы оптоэлектро-

ники.

1.2. Генерация света.

Оптический диапазон составляютэлектромагнитные волны, дли-

ны которыхпростираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон за-

мечателентем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется

корпускулярно-волновойдуализм; энергия фотона и соответствующие

ей частота колебаний и длина волны света связаныследующими со-

отношениями:

ш1 7

7)

7n 0[Гц] =3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2

78

7e 4ф 0[эВ]= 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2

70

ш0

При известной удельной мощности Pплотность фотонного пото-

ка N определяетсявыражением

N[м 5-2 0с 5-1 0] =5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].

Все светогенерационные эффекты относятлибо к тепловому из-

лучению, либо кодному из видов люминесценции. Спектризлучения

— 4 -

нагретого телаопределяется формулой Планка, которая для так на-

зываемогоабсолютно чёрного тела имеет вид

f( 7l 0,T) =2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[exp(hc/(kT 7l 0)) — 1] 5-1 0,

где h, c, k — известные универсальные константы; T — абсолютная

температура. Придостаточно высоких температурах (>2500...3500 К)

часть спектратеплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако,всегда значителен длинноволновый «хвост».

Люминесценция представляет собойизлучение, характеризующе-

еся тем, что его мощность превышает интенсивностьтеплового из-

лучения приданной температуре («холодное» свечение).

Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде

дискретныхэнергетических состояний, при тепловом равновесии они

занимаютнаинизшие уровни. В люминесцирующемвеществе за счёт

энергии того илииного внешнего воздействия часть электронов пе-

реходит на болеевысокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение

этих электронов на равновесный уровеньE 41 0 сопровождается испус-

канием фотонов сдлиной волны, определяемой простым соотношением:

ш1

1,23

7l 0 =─────────────[мкм]

(E 42 0 — E 41 0)[эВ]

ш0

Физика люминесценции предопределяет двепримечательные осо-

бенностипроцесса: узкий спектр излучения ивозможность исполь-

зования большогочисла способов возбуждения. В оптоэлектронике

главнымобразом используютсяэлектролюминесценция (пробой и ин-

жекция p-nперехода в полупроводниках), а такжефото- и катодо-

люминесценция(бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет диф-

ракция,обусловленная волновой природой света и приводящая, в

— 5 -

частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы

параллельныйпучок становится расходящимся, причём угол расходи-

мости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D, где D — апертура (диаметр лучасвета).

Дифракционныйпредел разрешающей способности оптических систем

соизмеримс 7 l 0, а плотность записиинформации с помощью световых

потоков не можетпревысить 7 l 5-2 0.

В веществе с показателем преломления nскорость распростра-

нения световоголуча становится c/n, а посколькувеличина n за-

висит от длиныволны (как правило, растёт суменьшением 7 l 0), то

это обуславливаетдисперсию.

1.3. Источники излучения.

Оптоэлектроника базируется на двухосновных видах излучате-

лей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающихдиодах

(некогерентноеизлучение).

В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые,

твердотельные иполупроводниковые лазеры. Разрежённость газового

наполнения врабочем объёме обусловливает высокую степень монох-

роматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую на-

правленностьи, в конечном счёте, когерентностьизлучения. В то

же времязначительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки

газоразрядныхприборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ

как универсальныйоптоэлектронный элемент.

Значительные мощности излучениятвердотельных лазеров обус-

лавливаютперспективность применения этих генераторов в дально-

действующихволоконнооптических линиях связи.

Наибольший интерес для разнообразныхоптоэлектронных приме-

— 6 -

ненийпредставляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому

к.п.д., малымгабаритам, высокому быстродействию, простоте уп-

равления.Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного

полупроводниковогосоединения Ga Al As. В их структуре тонкий

слой n-типа проводимости «зажат» между областямиn- и p-типов

того жематериала, но с большими значениямиконцентраций алюми-

ния исоответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В

роли резонатораможет также выступать поверхностная дифракцион-

ная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической об-

ратной связи.

Для оптоэлектроники особый интереспредставляют полупровод-

никовыеизлучатели — инжекционные (светодиоды) и электролюминес-

центные(электролюминофоры). В первых излучение появляется в ре-

зультатерекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход

электронами. Чембольше ток через светодиод, тем ярче его высве-

чивание. Взависимости от материала диода и примесей в нём меня-

ется цветгенерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, си-

ний (соединениягалия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и

пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединениягалия с мышь-

яком генерируютневидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92

мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют макси-

мальнуючувствительность. Для светодиодовхарактерны малые раз-

меры(0,3 7& 00,3 мм), большиесрок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-

родействие(10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения(1,6...3,5

В) и токи(10...100 мА).

.

— 7 -

ш1.5

Л+

Таблица 1. Основные материалы длясветодиодов.

╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗

║ Полупро- │ 4o 0 5 0│ Цвет │Эффектив-│ Быстродействие, ║

║ водник │ 7l 0,A │ │ность, % │ нс ║

╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

║ GaAs │ 9500 │ ИК │ 12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║

║ │ 9000 │ │ 2 │ 10 5-9 0...10 5-8 0 ║

║ GaP │ 6900 │Красный │ 7 │ 10 5-7 0...10 5-6 0 ║

║ │ 5500 │ Зелёный │ 0,7 │10 5-7 0...10 5-6 0 ║

║ GaN │ 5200 │Зелёный │ 0,01 │ ║

║ │ 4400 │ Голубой │ 0,005 │ ║

║GaAs 41-x 0P 4x 0 │ 6600 │ Красный │ 0,5 │ 3 77 010 5-8 0 ║

║ │ 6100 │ Янтарный│ 0,04 │ 3 77 010 5-8 0 ║

║Ga 41-x 0Al 4x 0As │ 8000 │ ИК │ 12 │ 10 5-8 0 ║

║ │ 6750 │ Красный │ 1,3 │ 3 77 010 5-8 0 ║

║ │ 6590 │ Красный │ 0,2 │ ║

║In 41-x 0Ga 4x 0P │ 6170 │ Янтарный │ 0,1 │ ║

║ │ 5700 │ Желто- │ 0,02 │ ║

║ │ │ зелёный │ │ ║

╚════════════╧══════╧══════════╧═════════╧═════════════════╝

ш0

Л-

Излучатели на основе люминофоровпредставляют собой порош-

ковые илитонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной

прозрачнойподложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор

на основе соединения цинка с серой, который излучаетсвет под

действиемсильного знакопеременного электрического поля. Такие

светящиесяконденсаторы могут изготовляться различных размеров

(от долейсантиметра квадратного до десяти и более квадратных

метров), различнойконфигурации, что позволяетизготавливать из

— 8 -

нихзнако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, кар-

ты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации

широко стала использоваться низковольтнаякатодолюминесценция -

свечениелюминофора под действием электронного луча. Такие ис-

точникиизлучения представляют собой электровакуумную лампу,

анод которойпокрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зе-

лёный, синий светпри попадании на него ускоренных электрическим

полемэлектронов. Простота конструкции, низкаястоимость, боль-

шие яркости и большой срок службы сделаликатодолюминесценцию

удобной дляразличных применений в оптоэлектронике.

2. СВЕТОДИОДЫ.

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэ-

лектроникиявляются светодиоды. Такими их делаютмалые габариты

и масса(излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок

службы,измеряемый годами и дажедесятками лет (10 54 0...10 55 0 ч),

высокоебыстродействие, не уступающее интегральным схемам

(10 5-9 0...10 5-5 0с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5В), малая

потребляемаямощность (20...600 мВт), возможностьполучения из-

лучения заданногоспектрального состава (от синего до красного в

видимой частиспектра и ближнего инфракрасного излучения). Они

используютсяв качестве источника излучения для управления фо-

топриёмниками воптронах, для представления цифро-буквеннойин-

формации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в

компьютерах и пр.

Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход,

— 9 -

прохождение токачерез который в прямом направлении сопровожда-

ется генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является

следствиеминжекционной люминесценции — рекомбинации инжектиро-

ванных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока

(электронов) сосновными носителями тока в базе (дырками) (люми-

несценция - испускание света веществом, не требующее для этого

нагревавещества; инжекционная электролюминесценция означает,

что люминесценциястимулирована электрическим током).

Электролюминесценция может быть вызвана также сильным

электрическимполем, как в случаеэлектролюминесцентных конден-

саторов сдиэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробой-

наяэлектролюминесценция Дестрио).

Светодиоды для видимого и ближнегоинфракрасного излучения

изготавливаютсяглавным образом из монокристаллов материалов ти-

паA 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соеди-

нений:GaAs 41-x 0P 4x 0, Ga 41-x 0Al 4x 0As, где x — доля содержания того или

другого элементав соединении.

Дляполучения требуемого цвета свечения материалы сильно

легируютсясоответствующими примесями или их состав сильно варь-

ируется.Так, для получения красного излученияфосфид галия ле-

гируется цинком икислородом, для получения зелёного- азотом.

Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39, то светодиод излучает красный свет с

7l 0=660нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.

Из простого соотношения, связывающегодлину волны излучения

с ширинойзапрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ]

следует, чтовидимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от

широкозонныхполупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72

эВ. У арсенидагалия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэто-

— 10 -

му светодиоды изарсенида галия излучают невидимое, инфракрасное

излучение с 7l 0=900 нм. У фосфида галия 7e 0=2,19 эВ. Он может уже

излучать видимыйсвет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует

желто-зелёномусвечению. Как преобразователь электрической энер-

гии в световую,светодиод характеризуется внешней эффективностью

(или к.п.д.).

ш1

число эмиттированных квантовсвета

7h 0 =──────────────────────────────────────────

число инжектированных неосновныхносителей

ш0

Эффективность светодиодов невелика 7h, 00,1 (10%). В большинс-

тве случаев онане превышает 0,5...5%. Это обусловленотем, что

свет трудновывести из полупроводника наружу. При высоком значе-

нии коэффициентовпреломления используемых поводников (для арсе-

нида галия n=3,3для воздуха — 1) значительная часть рекобинаци-

онногоизлучения отражается от границы раздела полупровод-

ник-воздух,возвращается в полупроводник и поглощается в нём,

превращаясь втепло. Поэтому сравнительно невеликисредние яр-

костисветодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0,

I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этимпараметрам они ус-

тупают лампочкамнакаливания, по остальным — превосходят их.

Светодиод — миниатюрный твердотельныйисточник света. У не-

го отсутствует отпаянная колба как у лампынакаливания. У него

нет нитинакала, а значит отсутствует времяразогрева и микро-

фонный эффект. Онболее стоек к механическим ударам и вибрациям.

Излучениесветодиода весьма близко к монохроматическому в преде-

лах 7Dl 0=40...100 нм. Это снижаетфоновые шумы источника по срав-

нению со случаемприменения фильтров для монохроматизации излу-

чения немонохроматическогоисточника.

— 11 -

2.1. Конструкция светодиодов.

В излучателе плоской конструкции (рис.1, а)излучающий пере-

ход выполнен илидиффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями

показаны лучи, которые из-за полного внутреннегоотражения от

границы разделане выходят из кристалла. Из кристалла выходят

только те лучи, которые с нормалью составляют угол 7Q, 0arcsin

n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия — этоконус с углом у

вершины не более35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и

простой. Однако она наименее эффективна, ейсоответствует узкая

диаграмманаправленности излучения (рис. 2).

Геометрические размеры полусферическойконструкции светоди-

ода (рис. 1, б) таковы, чтоR 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этомслучае всё излу-

чение попадает награницу раздела под углом, совпадающим снор-

малью, иполностью выходит наружу. Эффективность полусферической

конструкции — самая высокая. Она примерно в десять раз превышает

эффективностьплоской конструкции. Однако она намного дороже и

сложнее визготовлении.

Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпок-

сидной смолы,выполняющей роль линзы (рис. 1, в). Смола имеет ко-

эффициентпреломления промежуточный между воздухом и кристаллом.

Это позволяетнесколько увеличить светящуюся поверхность диода.

В последнем случае смола подкрашивается под цветизлучения све-

тодиода.Большинство сигнальных и отображающих светодиодов вы-

полняется такойконструкции.

Принципиальное устройство светодиодапоказано на рис. 3.

Светодиоды могутизготавливаться и бескорпусными. Тогдаих раз-

меры определяютсяразмерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

— 12 -

2.2. Свойства светодиодов.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична

вольт-ампернойхарактеристике кремниевого диода: она имеет круто

возрастающуюпрямую ветвь. На этом участке динамическое сопро-

тивление мало ине превышает нескольких ом. Обратныенапряжения

невелики(3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитанна значительные

обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять

соответствующихмер защиты. Если светодиод должен работать от

сети переменноготока, то последовательно с ним включается крем-

ниевый диод,который работает как выпрямляющий вентиль. В стати-

ческом режиме номинальный ток в зависимости от типа светодиода

лежит в пределахот 5...10 мА до 100 мА.

Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения

практическилинейно зависит от тока через диод в широком диапа-

зоне изменениятоков. Исключение составляют красные GaP — свето-

диоды, укоторых с ростом тока наступает насыщение яркости

(рис. 4). Этонеобходимо иметь в виду, когда светодиод использу-

ется в импуль

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Книга S.Gran "A Course in Ocean Engineering". Глава "Усталость"

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Физико-статистическая оценка ресурса теплообменных труб с начальными дефектами производства в виде трещин

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Вакансионное Распухание

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Суперфиниширование

29 Августа 2013