Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Автореферат'
Защита диссертации состоится «30» октября 2009 года в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 311.006.01 при Российской международной акад...полностью>>
'Методичні рекомендації'
Розвиваючи думку про розширення кола учасників конституційних правовідносин не можна обійти увагою таку визначальну тенденцію сучасного вітчизняного ...полностью>>
'Документ'
разобраться в методике расчета статистических индексов, применяемых в экономическом анализе социально-экономических явлений, и сформировать навыки пр...полностью>>
'Конкурс'
Конкурс проводится по инициативе отдела пропаганды УГИБДД ГУВД по Саратовской области и Компании «Автополис-Саратов», при содействии Министерства обр...полностью>>

Методические указания по дисциплине «физические основы оптической связи» (специальность 013800 радиофизика и электроника)

Главная > Методические указания
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Методические указания

по дисциплине

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ»

(специальность 013800 радиофизика и электроника)

Часть IV

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ.

ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ

Ростов-на-Дону

2006

Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования

Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю.М.

Ответственный редактор: доктор физико-математических наук Латуш Е.Л.

Компьютерный набор и вёрстка ассистента Грибниковой Е.И., студента Пашина Ю.А.

Печатается в соответствии с решением кафедры ПЭКМ физического факультета РГУ, протокол №13 от 7 февраля 2006г.

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ.

ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ.

АННОТАЦИЯ

Рассмотрен процесс излучательной рекомбинации и упрощённая гетеро-структура. Проанализирован принцип действия светоизлучающих диодов и лазерных диодов, их характеристики и параметры. Дано описание основных элементов передающего оптического модуля и схем построения.

1 ИЗЛУЧЕНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР

Значительные по своей актуальности перспективы возникли в той области физики полупроводников, которая изучает люминесценцию – излучательную рекомбинацию электронов и дырок. Это явление позволило создать полупроводниковые источники света – светодиоды и инжекционные лазеры.

Первые открытия здесь были сделаны в нашей стране ещё в 1923г. О.В. Лосевым, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории. Лосев писал: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе всего 0,4мА… Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынерционный источник света».

Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа -фосфида и арсенида галлия и их твёрдых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники – оптоэлектроники.

Советские учёные внесли в развитие данной области существенный вклад.

Ж.И. Алфёров (академик, директор физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, лауреат Ленинской премии) получил золотую медаль Американского физического общества за исследования гетероструктур на основе

ещё в 70-х годах. В 2000 г., когда стало ясно, как велико значение этих работ для развития науки и техники, насколько важны их практические применения для человечества, ему была присуждена Нобелевская премия, которую он разделил с Н.Б. Крамером (США), также работавшим в этой области.

    1. Процесс возникновения излучения в p-n-переходе

Если в образце создан p-n-переход, т.е. граница между областями с дырочной (p-) и электронной (n-) проводимостью, то при положительной полярности внешнего источника тока на контакте к p-области (и отрицательной –

на контакте к n-области) потенциальный барьер в p-n-переходе понижается и электроны из n-области инжектируют в p-область.

В отсутствие смещения (U=0) уровень Ферми одинаков во всём переходе

и барьеры для основных носителей выше, чем при прямом смещении p-n-перехода, когда уровни раздвигаются на величину .

Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, – тепловым колебаниям решётки (безызлучательная рекомбинация) (рисунок 1).

Высвобождающаяся при рекомбинации энергия Е обеспечивает рождение фотона. Длина волны, соответствующая этому фотону, определяется соотношением

, (1)

где c – скорость света;

h – постоянная Планка.

В этой формуле длина волны выражена в микрометрах, а энергия в электрон-вольтах. Поэтому для обеспечения генерации излучения в требуемом спектральном диапазоне длин волн необходимо подбирать материалы с соответствующей шириной запрещённой зоны .

Для обеспечения генерации в области первого окна прозрачности

Рисунок 1 – Энергетическая диаграмма обычного (гомогенного) p-n-перехода в полупроводнике при прямом смещении U

волоконного световода (λ=0,8 – 0,9мкм) используют соединения на основе арсенида галлия (GaAs), а для следующих окон прозрачности (λ=1,3мкм и λ=1,5 мкм) – соединения на основе фосфида индия (InP).

Очевидно, что интенсивность излучения напрямую связана с величинами концентраций носителей в p-n-переходе и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счёт увеличения тока, протекающего через переход. Таким образом, энергия внешнего источника, обеспечивающего протекание тока, преобразуется в энергию излучаемых фотонов. Этот ток принято называть током накачки ().

Обычно для оптимизации процесса генерации в источниках, реализованных на практике, при изготовлении переходов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в одном из полупроводников была бы существенно выше, чем в другом. Типичные значения величин следующие:

; .

То есть, разница в величинах и велика. Поэтому можно считать, что ток накачки в основном обусловлен инжекцией электронов в полупроводнике p-типа.

Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и n-областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идёт рекомбинация. Но в обычных p-n-переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины – среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители заряда, пока не рекомбинируют.

Задача ограничения активной области рекомбинации решена в конце 60-х годов Ж.И. Алфёровым и его сотрудниками. Были предложены и практически изготовлены гетероструктуры, сначала на основе GaAs и его твёрдых растворов типа GaAlAs, а затем и на основе других полупроводниковых соединений. В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины.

1.2 Гетероструктуры

Мы обсудили p-n-переходы, названные гомопереходами. Такие переходы получаются из полупроводников с одинаковой шириной запрещённой зоны. Однако существуют совершенно различные полупроводниковые материалы, которые, тем не менее, имеют одинаковые или почти одинаковые постоянные кристаллической решётки. Поэтому они могут образовывать один монокристалл. На границе между ними меняется ширина запрещённой зоны, диэлектрическая проницаемость и другие свойства. Такие материалы образуют гетеропереходы.

Таким образом, гетеропереходами называются переходы между полупроводниками из разных материалов с различной шириной запрещённых зон, но имеющих согласованные кристаллические решётки.

Гетеропереходы наиболее перспективны для изготовления светодиодов и полупроводниковых лазеров, что будет пояснено дальше.

Чтобы получить гетеропереходы с достаточно хорошими характеристиками, кристаллическая решётка должна с минимальным количеством нарушений переходить в кристаллическую решётку другого полупроводника, для чего и требуются близкие параметры полупроводников, образующих гетеропереход.

В гетеропереходах каждый из полупроводников может быть p-типа или n-типа. Таким образом, могут быть реализованы четыре комбинации. Если использовать для широкозонного материала обозначения прописной буквой N или P, а для узкозонного – строчной n или p, то возможны следующие преходы с различными свойствами: n – N, p – P, n – P и p – N.

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры, в которой между внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины запрещённой зоны и расположен тонкий слой с меньшей шириной . Толщину этого слоя d можно сделать очень малой, порядка сотен или даже десятков атомных слоёв. Помимо потенциального барьера обычного p-n-перехода на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов и дырок . Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой (рисунок 2).

Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх – к потолку валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удаётся достичь при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в потенциальную яму, инжектированные

Рисунок 2 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов гетероструктуры при прямом смещении

электроны наталкиваются на потенциальный барьер , а дырки – на потенциальный барьер . Поэтому и те, и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое, если он содержит малое количество дефектов, с испусканием фотона с энергией .

Гетероструктуры по сравнению с обычными p-n-переходами обладают двумя важными отличительными особенностями:

1) Односторонняя инжекция. Скачки потенциалов на границах представляют собой потенциальные барьеры для неосновных носителей, что приводит к локализации зарядов.

2) Резкое различие оптических свойств различных областей кристалла. Оно проявляется, прежде всего, в том, что длина волны излучения, генерируемого в узкозонной базе, лежит ниже «красной границы» поглощения эмиттерной области. В связи с этим говорят об эмиттере как о широкозонном «окне», через которое излучение выводится из светодиода практически без поглощения.

Типичными и наиболее хорошо разработанными являются гетероструктуры в тройном соединении вида , где x – доля компонента (молярная масса) . Это соединение получается путём замещения в кристалле GaAs части атомов галлия алюминием. По мере увеличения доли x замещённых атомов ширина запрещённой зоны изменяется от (для чистого GaAs) до (для чистого AlAs).

1.3 Условия максимальной эффективности излучения

Чтобы достичь максимальной эффективности излучения света, необходимо выполнить следующие условия:

1) При оптических переходах электронов из зоны проводимости полупроводника в валентную должен соблюдаться закон сохранения энергии. Поэтому ширина запрещённой зоны в активной области структуры должна быть близка к нужной энергии квантов излучения.

2) Одновременно должен соблюдаться закон сохранения импульса. Точнее – квазиимпульса, так как электрон (и дырка) в кристалле уже не свободная частица – он движется в поле периодически упорядоченных ионных остовов, представляя собой фактически возбуждённое состояние твёрдого тела. Движение этих возбуждений (электронных и дырочных) очень напоминает свободное распространение заряженных частиц, поэтому их называют квазичастицами. И энергии отдельных квазичастиц связаны с их квазиимпульсами p так же, как у свободных частиц: , только вместо массы электрона кг фигурируют эффективные массы и электронов и дырок в данном полупроводнике, которые по величине могут значительно отличаться от массы электрона.

3) Импульс , уносимый излучённым фотоном, пренебрежимо мал по сравнению с квазиимпульсами рекомбинирующих квазичастиц. В самом деле, для фотона , для электрона при рекомбинации ; их отношение . Поэтому при излучательной рекомбинации квазиимпульс электронов не меняется, а это возможно только у прямозонных полупроводников (рисунок 3), у которых максимум валентной зоны проводимости располагается в пространстве квазиимпульсов в центре зоны Бриллюэна (области однозначного задания квазиимпульса в кристалле).

Рисунок 3 – Зависимость энергии электронов от квазиимпульса для прямозонных полупроводников (Стрелкой показан переход электронов из зоны проводимости в валентную, сопровождающийся излучением кванта)

4) Кроме того, кристалл полупроводника должен быть по возможности бездефектным, как и границы между разными слоями, поскольку дефекты на них (например, дислокации) тоже порождают безызлучательную рекомбинацию. Поэтому особого внимания требует подбор пар материалов с точки зрения согласования параметров их элементарных ячеек, так как на границе несогласованных решёток возникает много дислокаций. Работы группы Алфёрова показали, что в гетероструктурах группы могут быть созданы практически идеальные границы.

Насколько успешно удалось решить все эти задачи, можно судить по значениям ряда параметров. О вероятности излучательной рекомбинации в узкозонном слое говорит внутренний квантовый выход излучения (отношение числа излучаемых фотонов к числу электронно-дырочных пар). В гетероструктурах величина может быть близка к единице. Для практики, однако, важнее внешний квантовый выход излучения (отношение числа излучаемых во внешнюю среду квантов света к числу электронно-дырочных пар, пересекающих p-n-переход). Он характеризует преобразование электрической энергии в световую и, помимо внутреннего квантового выхода (), учитывает коэффициент инжекции пар в активную область (γ) и коэффициент вывода света во внешнюю среду ():

. (2)

Коэффициент полезного действия светоизлучающего прибора ограничивается ещё и потерями на джоулево тепло, поэтому сопротивление всех областей структуры и омических контактов на выводах должно быть малым.

2 Светоизлучающие диоды (СИД)

Светодиод – это полупроводниковый прибор с двумя контактами, преобразующий энергию электрического тока в световую.

У СИД излучение спонтанное, некогерентное и неполяризованное.

Малые размеры полупроводниковых светодиодов отличают их от ламп накаливания – СИД почти точечный источник света с площадью кристалла (0,25х0,25) – (0,5х0,5).

Светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2– 4В и токе 10 – 30мА электрическая мощность варьируется от 20 до 120мВт. При КПД в 5 – 25% в виде света излучается 1 – 30мВт (сила света 1 – 30кд). Для сравнения – миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении 12В и токе 50 – 100мА.

2.1 Принцип действия СИД

Для СИД применяются в основном прямозонные полупроводники, такие как GaAs, InAs, InP или твердые растворы на их основе типа , где x-доля компонента (молярная масса), . Указанные соединения излучают свет с длиной волны =0,85мкм. Если выращивать на подложке InP четырехкомпонентное химическое соединение, например , то в зависимости от отношения долей x и y () светоизлучение будет изменяться в диапазоне длин волн =1,3–1,55мкм, так как в соответствии с соотношением компонентов изменяется энергия запрещённой зоны ЕЗ.

Физической основой СИД является люминесценция. Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трёх основных процессов:

– инжекции избыточных неосновных носителей заряда в базу СИД;

– излучательной рекомбинации;

– вывода излучения из области генерации.

Рассмотрим эти процессы подробнее.

Инжекция. Использование двойной гетероструктуры в СИД обеспечивает локализацию инжектированных зарядов в базе при уменьшении её толщины вплоть до нескольких микрометров и приводит к повышению быстродействия по сравнению с приборами с односторонней гетероструктурой.

Излучательная рекомбинация. В простейшем случае электроны зоны проводимости рекомбинируют с дырками, находящимися в валентной зоне. При этом энергия, примерно соответствующая ширине запрещённой зоны, выделяется в виде электромагнитного излучения из полупроводника. Рекомбинация носителей может происходить как в прилегающих к p-n-переходу областях, так и в самом p-n-переходе.

Вывод излучения. Конструкция СИД выбирается с таким расчётом, чтобы уменьшить собственное перепоглощение излучения, обеспечить режим работы при высокой плотности тока и увеличить эффективность ввода излучения в волокно. В ВОЛС применяются в основном две конфигурации диодов: с торцевым (рисунок 4,а,б) и боковым (рисунок 5,в) излучением.

Рисунок 4 –Схема поперечного сечения СИД с торцевым (а, б) и боковым (в) излучением

В первой конфигурации используется двойная гетероструктура. Фотоны, родившиеся в результате рекомбинации носителей в обеднённом слое, покидают его, распространяясь в поперечном направлении. Прежде чем дойти до поверхности излучателя, фотоны испытывают значительное отражение от поверхности раздела полупроводник – внешняя среда. По такой технологии изготовляются самые простейшие излучатели, которые используются в устройствах, где не требуется большая оптическая мощность.

Повышение эффективности ввода излучения в волокно может быть обеспечено созданием углубления в кристалле для приближения торца волокна к активной области (рисунок 4,а) или с помощью прозрачной полусферы (рисунок 4,б). В последнем случае кристалл покрывается выпуклым или плоским пластмассовым колпачком размерами 3–10мм. Показатель преломления пластмассы выбирается так, чтобы увеличить коэффициент вывода излучения . Конструкция колпачка обеспечивает фокусировку излучения в нужном телесном угле 5 – 45°. Излучаемые световые кванты должны выходить во внешнюю среду в заданном телесном угле с минимальным поглощением их внутри прибора. Держатель кристалла отводит тепло от активной области.

У СИД с боковым излучением (рисунок 4,в) вывод спонтанного излучения происходит через внутренний волновод, обусловленный односторонним гетеропереходом. В этой конфигурации за счёт специальных технологических приёмов обеспечивается распространение рождающихся фотонов из обеднённого слоя к боковой поверхности. Для оптической волны он представляет собой отрезок диэлектрического волновода, поскольку обеднённый слой обладает более высоким значением диэлектрической проницаемости по сравнению с окружающими его материалами. Поэтому на его границах выполняются условия полного внутреннего отражения. Потери на отражение от границы раздела полупроводник – внешняя среда (воздух) и потери при распространении до неё в материале излучателя в этом случае существенно меньше. Боковые размеры излучающей области подгоняются под размеры волокна, но обычно составляют 20 – 40мкм.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Методические указания по дисциплине физические основы оптической связи (специальность 013800 радиофизика и электроника)

    Методические указания
    Проанализировали методы модуляции оптической несущей непосредственно, с использованием внешнего модулятора, модуляция с использованием промежуточной несущей, и типы оптических модуляторов: акустооптический и электрооптический (на
  2. 013800 радиофизика и электроника

    Документ
    Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки радиофизика по специальности 013800 Радиофизика и электроника при очной форме обучения - 5 лет.
  3. Основная образовательная программа высшего профессионального образования Направление подготовки 011800 Радиофизика

    Основная образовательная программа
    1.1. Основная образовательная программа (ООП) бакалавриата, реализуемая Чеченским государственным университетом по направлению подготовки 011800 Радиофизика.
  4. Итоговая государственная аттестация выпускников

    Учебно-методическое пособие
    д-р физ.-мат. наук, проф. Ю. В. Аграфонов, канд. физ.-мат. наук, доц. Л. А. Акатова, д-р физ.-мат. наук, проф. В. Б. Иванов, канд. мат. наук, доц. Д. В.
  5. Инновационной образовательной программы (1)

    Конкурс
    Образовательно-научный центр «Информационно-телекоммуникационныесистемы: физические основы и математическое обеспечение».Повышение качества и увеличение масштабов подготовки специалистов на основе интеграции образовательной,

Другие похожие документы..