Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

Ш2

ш1.5

1Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ

1Московский Государственный Институт Электроники и Математики

1Факультет Электронной Техники

1Кафедра - Материаловедение

1электронной техники

1РЕФЕРАТ

1на тему 3 Материалы оптоэлектроники.

3Полупроводниковые светоизлучающие структуры. 0

1Выполнил студент группы И-41

1Офров С.Г

1Руководитель Петров В.С.

1Реферат защищён с оценкой _________

_____________________________

(подпись преподавателя, дата)

1Москва 1994

ш0

.

- 1 -

Материалы оптоэлектроники.

Полупроводниковые светоизлучающие структуры.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.

1.1. Предмет оптоэлектроники.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники,

занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма),

переработки (преобразования), запоминания и хранения информации

на основе использования двойных (электрических и оптических) ме-

тодов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор,

чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфра-

красной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и

преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же

спектральных областях; или прибор, использующий такое электро-

магнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлек-

тронных приборов и устройств или такая их структура (в случае

использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализа-

цию с применением методов современной интегральной техники в

микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника ба-

зируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники,

среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая элек-

троника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и техно-

логия, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, во-

локонная оптика.

- 2 -

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связа-

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

электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим

обуславливаются их основные достоинства:

1. Высокая информационная ёмкость оптического канала.

2. Острая направленность излучения.

3. Возможность двойной модуляции светового луча - не только

временной, но и пространственной.

4. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей.

5. Возможность простого оперирования со зрительно восприни-

маемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными

приборами очень широкие возможности применения в качестве эле-

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

мым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в

комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.

Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники

служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводи-

тельных вычислительных комплексов, запоминающих устройств ги-

гантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телеви-

дения и инфравидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет

источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую

очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить

на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным

(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использо-

ванием когерентного или некогерентного света обычно резко отли-

чаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

- 3 -

Всё это оправдывает использование таких терминов как "коге-

рентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Ес-

тественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия

между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия опти-

ческого квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то

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

ние светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, уст-

ройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектро-

ники.

1.2. Генерация света.

Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, дли-

ны которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон за-

мечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется

корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующие

ей частота колебаний и длина волны света связаны следующими 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 P плотность фотонного пото-

ка N определяется выражением

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 относят либо к тепловому из-

лучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения

- 4 -

нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так на-

зываемого абсолютно 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. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К)

часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".

Люминесценция представляет собой излучение, характеризующе-

еся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового из-

лучения при данной температуре ("холодное" свечение).

Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде

дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они

занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт

энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов пе-

реходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение

этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испус-

канием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

ш1

1,23

7l 0 = ───────────── [мкм]

(E 42 0 - E 41 0)[эВ]

ш0

Физика люминесценции предопределяет две примечательные осо-

бенности процесса: узкий спектр излучения и возможность исполь-

зования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике

главным образом используются электролюминесценция (пробой и ин-

жекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- 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

параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходи-

мости близок к 7f 4D 0 = 7 l