|
| |
|
Слаботочка Книги Следует отметить, что имеются и конкурирующие - безызлучательные -механизмы рекомбинации*. К числу важнейших из них относятся: 1. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень на рис. 1.6). В этом случае энергия рекомбинации частично выделяется в виде длинноволновых квантов и частично переходит в тепловые колебания решетки. В качестве таких центров выступают примеси, структурные дефекты, нарушения периодичности на поверхности кристалла. Особенно вредны примеси, образующие уровни вблизи середины запрещенной зоны (глубокие центры); к их числу относятся медь, никель, кобальт, хром, золото и некоторые другие. 2. Ожё-рекомбинация (или ударная.). При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочной пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой. Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения Timt, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерирог ванных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение Timt является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что OTiint= 100%. Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется путем иижекции их р-п-переходом, смещенным в прямом направлении. Этот процесс, составляющий основу принципа действия транзисторов, достаточно хорошо известен, поэтому ограничимся изложением итоговых положений. *) Практически к безызлучательный относятся и такие процес -сы, при которых генерируются кванты с энергией, намного меньшей eg\ при использовании светодиода это излучение оказывается «бесполезным». 28 «Полезной» компонентой тока, поддерживающей из-лучательную рекомбинацию в активной области диода, является ток электронов (рис. 1.7,а), инжектируемых р-п-переходом. К «бесполезным» компонентам прямого тока относятся: 1. Дырочная составляющая /р, обусловленная ин-жекцией дырок в п-область и отражающая тот факт, что р-п-переходов с односторонней инжекцией не бывает. Доля этого тока тем меньше, -чем сильнее легирована л-облас1ь по сравнению с р-областью.
 ю 5) Рис. 1.7. Электрическая (а) и оптическая (б) модели светодиода: ft - оптически «прозрачная» часть кристалла; В - активная область излучательной рекомбинации; С - «непрозрачная» область кристалла; О -омические контакты; Е - область объемного заряда 2. Ток рекомбинации (безызлучательной) в области объемного заряда р-«-перехода /рек. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может быть заметной. 3. Туннельный ток /тун, обусловленный «просачиванием» носителей заряда через потенциальный барьер. 10К переносится основными носителями и вклада в из-лучательную рекомбинацию не дает. Туннельный ток тем больше, чем уже р-п-переход, он заметен при свальной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях. * Излучательная рекомбинация в GaAs-структурах протекает в р-области. 4. Ток поверхностных утечек /пов, обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или иных закорачивающих включений. Эффективность р-п-перехода характеризуется коэффициентом инжекции: (1.5) Y - * --. ,- /полн /л ++/рек + Аук-f пов Очевидно, ЧТО пределы возможного изменения у те же, что и Titat, т. е. 0Y1P0%- При выводе излучения из области генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 1.7,6): 1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (1.4), то она совпадает с «красной границей» поглощения (см. ниже), и такое излучение быстро поглощается в толще полупроводника (самопоглощение). В действительности, излучение в црямозонных полупроводниках идет не по приведенной выше идеальной схеме- важную роль играют свободные экситоны (временные образования нейтральных компонентов электрон - дырка), энергия связи которых хотя и мала, но все же заметна. Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше, чем по (1.4). 2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2). Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения. Такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения. 3. Потери на обратное и торцевое излучение (лучи 3 и 4). Генерация в активной области полупроводника является спонтанной и характеризуется тем, что лучи света направлены равновероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющиеся в сторону сильно легированной области полупроводника, быстро поглощаются. Активная область В нередко слегка отличается значением показателя преломления от областей Л и С и обладает волноводным эффектом - лучи 4 вследствие многократных отражений фокусируются вдоль области В, так что интенсивность торцевого излучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла. г- Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода Яопт, определяемым отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Так же, как и для коэффициентов rimt и у, всегда выполняется условие 0</Сопт100%. Интегральным показателем излучательной способности светодиода является величина йнешнего квантового выхода Tiext. определяе- мая отношением числа излучаемых квантов к числу протекших за то же время через светодиод носителей заряда. Из сказанного ясно, что next = nint7-onT. Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте [8], заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела пого (оптического) Рнс. 1.8. Иллюстрация собственног» (Avi) и примесного (Avj) фотоэффекта в полупроводнике: & с- { - энергетические уровни потолка валентной зоны, дна зоны проводимости и примесного центра под действием электромагниг- , излучения. Отрыв и образование свободных электронов приводит к изменению электрических свойств облучаемого тела, возникающие при этом фотоэлектрические явления и используются на практике. Установлено, что наиболее значительны фотоэлектрические явления в полупроводниках, поэтому используемые в оптронах приемники представляют собой фотоэлектрические полупроводниковые приборы. Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов как самого полупроводника, так и примеси (рис. 1.8). В соответствии с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, , основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники «работают» на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вы- зывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений (см. рис. 1.8): фl = hVlc-iv, (1.6) ф2=/lV2<rc-<r (1.7) Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения кгр-. >,гр=/1с/(с-<?)«l,23/g. (1.8) Второе равенство в (1.8) справедливо, если Лгр выражено в микрометрах, а ширина запрещенной зоны полупроводника Sg - в электроновольтах. Величину кгр называют длинноволновой или «красной» границей спектральной чувствительности материала. У фотоприемников на основе кремния, германия, арсенида галлия,сернистого и селенистого кадмия Хгр составляет 1,1; 1,8; 0,9; 0,7; 0,8 мкм соответственно. Итак, на шкале длин волн правее л=Лгр беспримесного фотоэффекта нет, левее он может иметь место. Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где он может существовать) зависит от квантового выхода р, определяемого отношением числа генерированных пар электрон - дырка к числу поглощенных фотонов. Анализ эксперименталь-ных зависимостей т К (рис. 1.9) [9] показывает, что в интересной для оптронов спектральной области 3 = 1. Поглощение излучения в полупроводнике подчиняется закону Бугера (см., например, [8])
Рис. 1.9. Аппроксимированные зависимости квантового выхода фо тоэффекта от энергии квантов (1.9) где - мощность излучения на границе полупроводника, а Ио-«глубина поглощения». Характерно, что ко вблизи >.гр в большинстве случаев очень сильно зависит от длины волны (рис. 1.10); исключение составляет
кремний, у которого изменение от прозрачного состояния (>с(гоо) -до непрозрачного (хо-0) происходит на участке спектра с примерно двукратным изменением %. Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке) и фото-вольтаического (возникновение фото-ЭДС на р-п-перехо-де или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта. Основные параметры и ха-• рактеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп [10]. К оптическим .характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна; максимальный и минимальный уровни мощности излучения. К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фото-приемной площадке; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот; разрешающее время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием (или отсутствием) встроенного ме- tS 7,5 г.о 2,5 3,0 ,эЗ Рис. 1.10. Зависимость глубины поглощения от энергии (длины волиы) квантов 3-767 0 1 2 3 [4] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||