Функциональная электроника

Расчетно-графическая работа

по предмету: Функциональная электроника

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ. 3

2. НЕКОГЕРЕНТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ.. 5

2.1. Принцип действия светодиодов. 5

2.2. Конструкции светодиодов. 10

3. Когерентные излучатели. 14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 19

1. ВВЕДЕНИЕ

Оптоэлектроника (ОЭ) – это область науки и техники, связанная с разработкой и применением комбинированных электронно-оптических устройств и систем для передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации.

ОЭ оказывает заметное влияние на сферу информатики и индустрии обработки данных.

В последнее время интенсивно развиваются оптические методы обработки информации в основном по трем направлениям:

1) создание цифровых оптических вычислительных машин (ОВМ) с широким применением различных оптоэлектронных и оптических компонентов, волоконной оптики, оптических запоминающих устройств и процессоров и др. Теоретические оценки показывают, что такие машины могут иметь быстродействие порядка нескольких миллиардов операций в секунду и повышенную надежность благодаря отсутствию задержек, присущих электрическим сигналам, двумерному характеру исходной информации нечувствительности к внешним и перекрестным помехам и т.д.;

2) создание аналоговых ОВМ, принцип действия которых основан на том, что определенная комбинация достаточно простых оптических элементов (линз, дифракционных решеток, голограмм и др.) позволяет осуществлять над оптическим сигналом весьма сложные интегральные преобразования, используемые вместо элементарных операций арифметического суммирования и логического сравнения в ЭВМ. Однако, ОВМ аналогового типа имеют сравнительно малую точность вычислений (в пределах нескольких процентов), и их целесообразно применять в тех случаях, когда требуется быстро обрабатывать значительные объемы информации без повышенных требований к точности вычислений;

3) создание ОВМ с картинной логикой, осуществляющих одновременную обработку больших массивов информации в виде двухмерных изображений.

Перспективы практического применения большей части рассмотренных устройств определяются уровнем развития интегральной оптики – нового физико-технического и схемотехнического направления ОЭ, позволяющего создать методами интегральной технологии микроминиатюрные твердотельные устройства, содержащие как пассивные (линзы, зеркала, призмы, дифракционные решетки), так и активные (излучатели, фото приемники, модуляторы, дефлекторы и т.д.) оптоэлектронные элементы.

В зависимости от характера оптического сигнала различают когерентную и некогерентную оптоэлектронику.

Когерентная ОЭ базируется на использовании лазерного излучения. К некогерентной ОЭ относят дискретные и матричные некогерентные излучатели и построенные на их основе цифровые индикаторные устройства визуального представления информации, шкалы, табло, экраны, а также фото приемные устройства, оптопары, оптронные интегральные микросхемы (ИМС) и др.

2. НЕКОГЕРЕНТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ 2.1. Принцип действия светодиодов

В качестве некогерентных излучателей можно использовать сверх миниатюрные накальные и газоразрядные лампочки, порошковые, пленочные люминофоры, светоизлучающие диоды и т.д. Однако требованиям предъявляемым к оптоэлектронному прибору, удовлетворяют лишь светоизлучающие диоды, характеризующиеся высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в световую, надежностью и большим сроком службы, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, высоким быстродействием.

Целесообразно разделить светодиоды на две группы: 1) светодиоды, излучающие в видимом диапазоне спектра и используемые, главным образом, для отображения информации; 2) ИК светодиоды, применяемые в оптронах и волоконно-оптических линиях связи.

Хотя изготавливают светодиоды обеих групп из различных полупроводниковых материалов, принцип действия их одинаков и основан на явлении спонтанной инжекционной электролюминисценции – инжекции неосновных носителей в активную область прямосмещенного p-n-, гомо - или гетероперехода с последующей излучательной рекомбинацией в этой области.

Специфика процессов инжекции в светодиодах заключается в том, что одна из областей p-n-перехода должна быть оптически активна, т.е. должна обладать высоким внутренним квантовым выходом излучения.

Как известно, полное число излучательных переходов в единице объема при межзонной рекомбинации равно произведению , где В – коэффициент рекомбинации; np – неравновесная концентрация электронов в активной p-области; pp0 – равновесная концентрация дырок в этой области.

Очевидно, что p-n-переход с высоким внутренним квантовым выходом ηвн, равным отношению числа генерируемых в базе фотонов к числу инжектированных в нее неосновных носителей, должен быть изготовлен из прямозонного полупроводника, для которого В10-10 см3/с (для непрямозонных полупроводников В≈10-14 см3/с). В отношении уровня легирования p - и n-областей возникают противоречивые требования: с одной стороны, для увеличения np необходимо, чтобы коэффициент инжекции γп→1, а это связано с понижением уровня легирования базы Na; с другой стороны, для увеличения pp0 этот уровень следует повышать. Как правило, выбирают компромиссный вариант: оптимальный уровень легирования активной области составляет 1017 – 1018 см-3 для доноров и 3.1018 – 3.1019 см-3 для акцепторов.

Кардинальное решение данной проблемы дает использование гетеропереходов. В этом случае благодаря эффекту суперинжекции можно получить заданное np при не очень сильно легированном эмиттере. Односторонняя инжекция (γп→1) обеспечивается за счет разницы в ширине запрещенных зон используемых полупроводников: .

Межзонные излучательные переходы конкурируют с безызлучательными и излучательными переходами, связанными с рекомбинацией через промежуточные состояния (дефекты структуры, посторонние примеси и включения, глубокие примесные центры, поверхностные состояния и т.д.). Все эти конкурирующие переходы, которые можно охарактеризовать некоторым эффективным временем жизни τбезизл, снижают величину ηвн, поскольку сопровождаются исчезновением инжектированных в базу носителей для генерирования фотона соответствующей энергии.

Снижение доли безызлучательной рекомбинации (увеличение τбезызл) – одна из важнейших задач технологии светодиодов, направленная на повышение ηвн. Для подавления безызлучательных переходов принимают разнообразные меры: 1) оптимизируют излучательные структуры с целью снижения концентрации дефектов на границах слоев, исключения безызлучательной рекомбинации на поверхности и т.д.; 2) используют качественные эпитаксиальные слои, полученные методами жидкостной, газовой или молекулярно-лучевой эпитаксии. Из-за низкой температуры и невысокой скорости роста таких слоев резко снижается плотность дислокаций и других дефектов структуры, концентрация посторонних примесей. Например, в слоях Ga1-xAlxAs при x‹0.3, полученных методом жидкостной эпитаксии, вероятность безызлучательной рекомбинации сведена практически к нулю (τбезызл→∞), и, следовательно, ηвн приближается к 100%.

Важной задачей является также снижение доли поглощаемого внутри кристалла излучения. Существует три метода борьбы с этим явлением.

Уменьшение энергии фотонов за счет компенсации примесей в активной области. По такому принципу созданы эпитаксиальные p-n-структуры в GaAs, легированным кремнием, в которых генерируются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны (hvизл‹Eg). При этом коэффициент поглощения не превышает 100 см-1. В GaAs: Si-структурах ηвн составляет 40 – 70%. Основным недостатком таких структур является невысокое быстродействие.

Использование непрямозонных полупроводников в частности GaP. Известно, вероятность межзонной рекомбинации в GaP невелика (В5.10-14 см3/с), однако при наличии подходящего промежуточного примесного центра она резко возрастает. К сожалению, выбор таких центров ограничен. Так, для GaP ими могут служить азот и комплексы Zn-O. Эти центры создают глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, поэтому потери на межзонное поглощение отсутствуют ().

Использование эффекта «широкозонного окна» в гетероструктурах. Следует отметить, что применение гетероструктур в светодиодах выгодно и по другим причинам. Благодаря эффектам «электронного» ограничения и суперинжекции можно резко повысить концентрацию неосновных носителей в активной области и достигнуть высокого внутреннего квантового выхода при малых прямых токах. В таких случаях рекомбинация носителей происходит в ограниченной по размерам области, в которой концентрация неравновесных носителей повышается в  раз по сравнению с гомопереходом при этом же уровне возбеждения (L – диффузионная длина неосновных носителей, d – толщина базы).

Естественно, большое значение ηвн не гарантирует высокой эффективности светодиода как оптоэлектронного прибора, поэтому при его эксплуатации более важным является такой параметр, как внешний квантовый выход ηвнш (или КПД преобразования электрической энергии в световую), определяемый отношением числа фотонов, выведенных за пределы кристалла, к числу носителей заряда, проходящих через p-n-переход.

Как правило, величина ηвн не превышает нескольких процентов, так как за пределы кристалла можно вынести лишь небольшую часть генерируемого внутри активной области излучения. Наиболее существенны следующие виды потерь: 1) на полное внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник – окружающая среда под углом, большим критического; 2) на френелевское отражение для излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического; 3) на поглощение излучения в объеме полупроводника и в приконтактных областях.

Наиболее значителен первый вид потерь. Дело в том, что доля выходящего за пределы кристалла излучателя определяется значением критического угла φкр между направлением светового луча и нормалью к поверхности раздела: . В связи с большим различием показателей преломления используемых полупроводников nп и окружающей среды nокр значения φкр невелики. Например, для GaAs и GaP с показателями преломления 3.54 и 3.3. значения критического угла при выводе излучения в воздух соответственно равны 16 и 17.70. это означает, что наружу выйдут световые лучи, распространяющиеся в заштрихованном конусе с углом при вершине 2φкр (рис.2.1). В пределах этого конуса потери на френелевское отражение определяются выражением вида и составляют для границ раздела GaAs – воздух и GaP – воздух соответственно 31 и 29%.

Рис.2.1

Дальнейшая судьба отраженного от границы раздела излучения зависит от коэффициента поглощения в объеме полупроводника. Если этот коэффициент достаточно велик, то все излучение поглотится внутри кристалла. Если же кристалл прозрачен для генерируемого излучения, то оно, отражаясь от его граней, может повторно (и не один раз) падать на поверхность раздела и частично выводиться за пределы кристалла.

Ясно, что сверхизлучающие структуры с плоской геометрией не могут обладать высоким значением ηвнш даже при ηвн  100%. Поэтому в современных светодиодах используют кристаллы в виде полусферы параболоида или усеченной сферы Вейерштрасса. При этом наблюдается увеличение доли выводимого излучения до 30 – 35%.

Другие методы повышения ηвн связаны с помещением кристалла в среду с промежуточным показателем преломления (), когда критический угол возрастает до 25 – 300, а для выводимого излучения увеличивается в 2.5. – 3 раза; нанесением «просветляющих» покрытий на поверхность кристалла для сокращения френелевских потерь (применение диэлектрических пленок SiO, SiO2, Si3N4 позволяет увеличить выход излучения на 25 – 30%); уменьшением площади контактов; выводом излучения вдоль p-n-переходов с использованием эффекта «оптического» ограничения в двойных гетероструктурах и др.

2.2. Конструкции светодиодов

Основу любого светодиода составляет светоизлучающий кристалл с определенной комбинацией эпитаксиальных слоев, чаще всего выраженных на подложках из GaAs или GaP. Кристалл имеет, как правило, форму квадрата со стороной 0.35 – 0.5 мм. Для повышения плотности тока через p-n-переход уменьшают размеры активной области до нескольких десятков микрометров путем формирования мезаструктуры или изолирующих аморфных слоев, полученных протонной бомбардировкой.

Омические контакты к кристаллам изготавливают традиционными методами тонкопленочной технологии – вакуумным напылением, электрохимическим или химическим осаждением. Как правило, применяют многокомпонентные сплавы типа Au – Zn, Au – Be, Au – Ni, Aa – Ge – Ni и др. После операции нанесения контактов проводится их вжигание при температурах 500 – 6000С.

Для соединения верхних контактов с выводами применяют термокомпрессионную или лазерную сварку, а нижних - припои или токопроводящие клеи. Верхний омический контакт светодиода должен, с одной стороны, иметь минимальную поверхность для уменьшения потерь света, а с другой стороны, содержать площадку, достаточную для сварки, и иметь форму, обеспечивающую равномерное растекание тока по площади p-n-перехода (рис.2.1).

Нижний контакт может быть сплошным при непрозрачной подложке и в виде сетки или набора точек малой площади для кристаллов с прозрачной подложкой. В последнем случае контактный сплав должен обладать хорошими отражающими свойствами.

На рис.2.2. показаны конструкции некоторых наиболее распространенных типов светодиодов и их диаграммы направленности. Как видно, существуют три типа светодиодов: в металлостеклянном (АЛ 102), пластмассовом (АЛ 307) корпусе и бескорпусные (АЛ 301). Первый тип светодиодов характеризуется высокой надежностью и стабильностью параметров, а второй – технологичностью и низкой стоимостью, большой стойкостью к действию ударных и вибрационных нагрузок, возможностью управления диаграммой направленности излучения в направлении как ее расширения, так и сужения.

Рис.2.2

Как правило, кристалл помещают в специальное углубление с отражающими свет стенками, что позволяет увеличить силу света в осевом направлении при одновременном улучшении восприятия излучения в результате расширения светящейся площадки и повышения контрастности.

Пластмассовый корпус светодиодов изготавливают в виде полусферической полимерной линзы, которая перераспределяет световой поток и формирует диаграмму направленности светодиода. Чаще всего такие линзы делают на основе эпоксидных компаундов с добавкой красителей или светорассеивающих наполнителей.

Светодиоды видимого диапазона характеризуются следующими основными параметрами: силой света IV, длиной волны излучения в максимуме спектральной полосы λmax (цветом свечения), полушириной спектральной линии излучения ∆λ, диаграммой направленности (или углом излучения φ), прямым напряжением Uпр при заданном прямом токе Iпр, световой отдачей по мощности или по току, внешним квантовым выходом ηвнш или КПД , . Для большинства светодиодов ηвнш примерно равен КПД.

Для ИК светодиодов вместо силы света IV используют силу излучения  (, где к - видность излучения). В некоторых случаях важное значение имеют такие параметры и характеристики светодиодов, как быстродействие и зависимость силы света (излучения) от прямого тока.

Табл.2.1

Материал	Структура энергетических зон	Цвет свечения	Длина волны λmax, мкм	Световая отдача
				типичная	максимальная
GaP: ZnO	Непрямая	Красный	0,699	0,4	3,0
GaP: N	То же	Зеленый	0,570	0,3	4,0
GaP: N	То же	Желтый	0,590	0,2	0,5
GaAs0.35P0.65	То же	Оранжевый	0,632	0,4	0,9
GaAs0.15P0.85: N	То же	Желтый	0,589	0,2	0,9
GaAs0.6P0.4	Прямая	Красный	0,649	0,15	0,4
Ga0.7Al0.3As	То же	Красный	0,675	-	0,4
In0.42Ga0.58P	То же	Оранжевый	0,617	-	0,3
SiC	Непрямая	Желтый	0,590	-	-
GaN	Прямая	Зеленый	0,575	-	-
GaxAl1-xAs	То же	ИК	0,82-0,9	-	-
GaInAsP	То же	Видимый, ИК	0,55-3,4	-	-

Материалы, используемые для светодиодов, и их основные характеристики приведены в табл.2.1. Анализируя приведенные данные, нетрудно заметить, что отсутствуют материалы, позволяющие получать свечение в голубой и синей областях спектра. В настоящее время осуществляется интенсивный поиск таких материалов. Наиболее исследованными из них являются бинарные соединения типа АIIIВV с шириной запрещенной зоны Еg > 3,0 эВ: GaN, SiC, A1N и др.

Большие перспективы имеют тройные и четверные полупроводниковые соединения, ширина запрещенной зоны которых непрерывно меняется в зависимости от их состава. Используя четырехкомпонентные соединения, можно управлять шириной запрещенной зоны Е и постоянной кристаллической решетки а в довольно широких пределах. Например, для прямозонных соединений InGaAsP Еg меняется от 0,36 до 2,2 эВ (λ = 0,55-3,4 мкм при T = 300 К). В качестве подложек можно использовать GaAs или GaAsP.

ИК светодиоды изготавливают на основе GaAs, GaAlAs и GalnAsP. Наиболее эффективными из всех излучающих структур являются двойные гетероструктуры в системе GaAs/GaAlAs, для которых может быть получен ηвн, близкий к 100%, а ηвнш - более 45% в диапазоне длин волн 0,82-0,9 мкм. Как известно, качество гетероструктур определяется согласованием параметров решеток подложки и эпитаксиальных слоев, т.е. возможностью создания изорешеточной структуры. Для гетеропереходов GaAs/Ga1-хAlхAs параметры решеток практически совпадают в широком диапазоне составов тройного соединения. Поэтому возможно получение гетеропереходов с минимальной плотностью дислокаций на границе раздела активный слой - эмиттер.

3. Когерентные излучатели

Основной тип излучателей когерентной оптоэлектроники - инжекционные полупроводниковые лазеры (ППЛ). Они представляют собой миниатюрные твердотельные приборы, изготавливаемые методами планарно-эпитак-сиальной технологии. Рассмотрим современные конструктивно-технологические варианты и основные характеристики инжекционных ППЛ.

К числу важнейших параметров и характеристик инжекционных ППЛ от носят пороговый ток Iпор (плотность порогового тока Jпор), длину волны λ и полуширину спектра излучения ∆λ, энергию Е или мощность излучения Р, длительность τ и частоту f следования импульсов, диаграмму направленности (угол расходимости), модовый состав излучения, КПД, срок службы, модуляционные характеристики и др.

Совершенствование технологии создания ППЛ позволило значительно снизить пороговые токи при одновременном повышении дифференциального КПД ηдиф, определяемого тангенсом угла наклона ватт-амперной характеристики. Так, для типичного гомолазера Jпор104-105А/см2, ηдиф10% (приводятся усредненные значения, поскольку Jпор и ηдиф зависят от температуры, толщины активного слоя и уровня легирования). Однако уже для первых образцов гетеролазеров с односторонним ограничением, появившихся в 1969г. и содержащих один гетеропереход, удалось снизить Jпор до величины порядка 103А/см2 и повысить ηдиф до 40%. Несмотря на это, такие лазеры не способны работать в непрерывном режиме. При комнатной температуре может быть реализован импульсный режим работы с РИ = 10 - 30 Вт, f  25 кГц, τ