Полупроводниковые источники излучения

Для генерации оптического излучения используются два механизма: либо тепловое излучение нагретых до высокой температуры (более 2000 К) тел, либо одна из разновидностей люминесценции. Под люминесценцией обычно понимают нетепловое электромагнитное излучение, которое сохраняется в течение некоторого времени после окончания возбуждения.

Приборы, основанные на превращении теплой энергии в энергию излучения, имеют очень широкий спектр, полное отсутствие направленности излучения, низкий КПД, высокую инерционность, низкую устойчивость к механическим воздействиям и небольшой срок службы. Кроме того, они не совместимы с интегральной технологией, поэтому применяются в оптоэлектронике ограничено.

Физические процессы, лежащие в основе люминесценции, предопределяют две важные особенности: узкий спектр излучения и возможность использования большого числа способов возбуждения. Наибольшее применение в оптоэлектронике нашли электролюминесценция, а также фото- и катодолюминесценция. Упрощенно механизм генерации электромагнитных волн может быть представлен следующим образом. В люминесцирующем веществе за счет энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных уровней переходит на уровни с большей энергией , а затем в результате быстрых безизлучательных переходов оказывается на метастабильном уровне возбуждения (рис. 5.34 1 – быстрые безизлучательные переходы; 2 – рабочий переход). При возвращении этих электронов с уровня на уровень происходит испускание фотонов с длительной волны, определяемой соотношением

Если переход электронов с возбужденного уровня на равновесны происходит спонтанно, т.е. произвольно для каждого атома, то источник генерирует естественное излучение. Однако при воздействии на возбужденные атомы световой волны с частотой, соответствующей резонансной частоте перехода , может возникнуть такой процесс, при котором все возбужденные атомы практически одновременно испускают фотоны. В этом случае излучение всех осцилляторов согласовано по частоте, фазе и направлению поляризации. Подобный источник называют когерентным, а его излучение – вынужденным или индуцированным.

Рисунок 5.34. Механизм генерации электромагнитных волн

Широко распространенными источниками излучения в оптоэлектронике являются полупроводниковые светодиоды. К преимуществам этих приборов относятся большой КПД, относительно узкий спектр излучения и хорошая диаграмма направленности, высокое быстродействие и малое напряжение питания, что обеспечивает удобство согласования с интегральными микросхемами, высокую надежность, долговечность и технологичность.

Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т.е. генерации оптического излучения в pn-переходе, находящимся под прямым внешним напряжением. Обычно излучающей является область только по одну сторону pn-перехода, поэтому для увеличения количества инжектированных носителей в активной зоне в p-область вводится меньше акцепторной примеси, чем в n-область донорной. За счет этого в излучающей структуре инжекция протекает практически только в одну сторону.