Элементная база. 
Электроника. 
Часть 3 квантовая и оптическая электроника

Отличительной особенностью оптоэлектронных приборов является использование электрически нейтральных квантов оптического излучения, с высокой частотой колебаний и соответственно малым значением длины волны оптического излучения, малой расходимостью светового луча и возможностью его острой фокусировки. В этом плане наибольшее предпочтение отдастся когерентным излучателям.

Некогерентные излучатели

Некогерентные излучатели представляют собой светодиоды на основе полупроводниковой структуры, излучающей свет при пропускании тока через р—n-переход в прямом направлении.

Различают два механизма возбуждения светодиода: инжекция носителей заряда и ударная ионизация.

В основе спонтанной генерации света лежат процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную область р—п-структуры. В результате рекомбинации носителей заряда происходит исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей с одновременным выделением избыточной энергии порядка ширины запрещенной зоны в виде кванта света. Может происходить и процесс безызлучательной рекомбинации, при которой происходит рождение фононов.

Процесс инжекции наиболее эффективен в гетероструктурах, где имеются разрывы в валентной зоне и зоне проводимости, и при смешении гетероперехода в прямом направлении наблюдается эффективная инжекция носителей заряда. При этом инжекция происходит из широкозонного материала в узкозонный. Вывод излучения осуществляется перпендикулярно плоскости гетсроструктуры через верхний широкозонный слой. Максимальный квантовый выход или отношение числа вышедших фотонов к числу рожденных составляет — 40%. Быстродействие достигает — 10~*—10″⁹ с.

Ударная ионизация возникает при обратном смещении р—n-перехода до напряжения электрического пробоя. Этот механизм менее эффективен, чем инжекционный. Излучательная рекомбинация осуществляется в прямозонных полупроводниках GaAs, InAs, твердых растворах GaAS|__rP_r, Ga^Al^As. Условием инжекции является прямое смещение и соблюдение условия равенства квазиимпульса минимума зоны проводимости и максимума валентной зоны. Этот переход с сохранением квазиимпульса является излучательным (см. рис. 3.3).

Светодиоды на основе гомопереходов в прямозонных полупроводниках имеют сильное поглощение внутри кристалла. В связи с низким квантовым выходом светодиоды этого типа применяются редко.

В нспрямозонных полупроводниках излучательная рекомбинация происходит при наличии определенных примесных центров, на которых локализуются электроны. После захвата электрона к центру кулоновскими силами подтягивается и дырка. В результате реализуется излучательный переход.

Рис. 8.1. Типичные спектры излучения светодиодов.

В целях расширения спектрального диапазона излучения применяют тройные и четверные соединения. Эти соединения характеризуются изовалентным замещением элементов III и V групп периодической системы элементов.

Типичные спектры излучения светодиодов приведены на рис. 8.1.