Реферат: Материалы оптоэлектроники. Полупроводниковые светоизлучающие структуры
- 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 0/D, где D - апертура (диаметр луча света).
Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем
соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых
потоков не может превысить 7 l 5-2 0.
В веществе с показателем преломления n скорость распростра-
нения светового луча становится c/n, а поскольку величина n за-
висит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то
это обуславливает дисперсию.
1.3. Источники излучения.
Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучате-
лей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах
(некогерентное излучение).
В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые,
твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового
наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монох-
роматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую на-
правленность и, в конечном счёте, когерентность излучения. В то
же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки
газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ
как универсальный оптоэлектронный элемент.
Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обус-
лавливают перспективность применения этих генераторов в дально-
действующих волоконнооптических линиях связи.
Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных приме-
- 6 -
нений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому
к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте уп-
равления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного
полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий
слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов
того же материала, но с большими значениями концентраций алюми-
ния и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В
роли резонатора может также выступать поверхностная дифракцион-
ная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической об-
ратной связи.
Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупровод-
никовые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминес-
центные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в ре-
зультате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход
электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высве-
чивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меня-
ется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, си-
ний (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и
пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышь-
яком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92
мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют макси-
мальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые раз-
меры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-
родействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5
В) и токи (10...100 мА).
Излучатели на основе люминофоров представляют собой порош-
ковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной
прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор
на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под
действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие
светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров
(от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных
метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из
- 8 -
них знако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, кар-
ты, ситуации.
В последнее время для малогабаритных устройств индикации
широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция -
свечение люминофора под действием электронного луча. Такие ис-
точники излучения представляют собой электровакуумную лампу,
анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зе-
лёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим
полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, боль-
шие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию
удобной для различных применений в оптоэлектронике.
2. СВЕТОДИОДЫ.
Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэ-
лектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты
и масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок
службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10 54 0...10 55 0 ч),
высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам
(10 5-9 0...10 5-5 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая
потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения из-
лучения заданного спектрального состава (от синего до красного в
видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они
используются в качестве источника излучения для управления фо-
топриёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной ин-
формации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в
компьютерах и пр.
Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход,
- 9 -
прохождение тока через который в прямом направлении сопровожда-
ется генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является
следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектиро-
ванных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока
(электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люми-
несценция - испускание света веществом, не требующее для этого
нагрева вещества; инжекционная электролюминесценция означает,
что люминесценция стимулирована электрическим током).
Электролюминесценция может быть вызвана также сильным
электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конден-
саторов с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробой-
ная электролюминесценция Дестрио).
Светодиоды для видимого и ближнего инфракрасного излучения
изготавливаются главным образом из монокристаллов материалов ти-
па A 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соеди-
нений: GaAs 41-x 0P 4x 0, Ga 41-x 0Al 4x 0As, где x - доля содержания того или
другого элемента в соединении.
Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно
легируются соответствующими примесями или их состав сильно варь-
ируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия ле-
гируется цинком и кислородом, для получения зелёного - азотом.
Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39, то светодиод излучает красный свет с
7l 0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.
Из простого соотношения, связывающего длину волны излучения
с шириной запрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ]
следует, что видимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от
широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72
эВ. У арсенида галия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэто-
- 10 -
му светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное
излучение с 7l 0=900 нм. У фосфида галия 7e 0=2,19 эВ. Он может уже
излучать видимый свет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует
желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энер-
гии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью
(или к.п.д.).
ш1
число эмиттированных квантов света
7h 0 = ??????????????????????????????????????????
число инжектированных неосновных носителей
ш0
Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинс-
тве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что
свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значе-
нии коэффициентов преломления используемых поводников (для арсе-
нида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекобинаци-
онного излучения отражается от границы раздела полупровод-
ник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём,
превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яр-
кости светодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0,
I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этим параметрам они ус-
тупают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.
Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У не-
го отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него
нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева и микро-
фонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.
Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в преде-
лах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по срав-
нению со случаем применения фильтров для монохроматизации излу-
чения немонохроматического источника.
- 11 -
2.1. Конструкция светодиодов.
В излучателе плоской конструкции (рис.1,а) излучающий пере-
ход выполнен или диффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями
показаны лучи, которые из-за полного внутреннего отражения от
границы раздела не выходят из кристалла. Из кристалла выходят
только те лучи, которые с нормалью составляют угол 7Q, 0arcsin
n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у
вершины не более 35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и
простой. Однако она наименее эффективна, ей соответствует узкая
диаграмма направленности излучения (рис. 2).
Геометрические размеры полусферической конструкции светоди-
ода (рис. 1,б) таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излу-
чение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нор-
малью, и полностью выходит наружу. Эффективность полусферической
конструкции - самая высокая. Она примерно в десять раз превышает
эффективность плоской конструкции. Однако она намного дороже и
сложнее в изготовлении.
Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпок-
сидной смолы, выполняющей роль линзы (рис. 1,в). Смола имеет ко-
эффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.
Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.
В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения све-
тодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов вы-
полняется такой конструкции.
Принципиальное устройство светодиода показано на рис. 3.
Светодиоды могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их раз-
меры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).
- 12 -
2.2. Свойства светодиодов.
Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична
вольт-амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто
возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопро-
тивление мало и не превышает нескольких ом. Обратные напряжения
невелики (3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитан на значительные
обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять
соответствующих мер защиты. Если светодиод должен работать от
сети переменного тока, то последовательно с ним включается крем-
ниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В стати-
ческом режиме номинальный ток в зависимости от типа светодиода
лежит в пределах от 5...10 мА до 100 мА.
Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения
практически линейно зависит от тока через диод в широком диапа-
зоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - свето-
диоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости
(рис. 4). Это необходимо иметь в виду, когда светодиод использу-
ется в импульсном режиме для получения больших выходных яркостей.
При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом
температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение
температуры по сравнению с комнатной на 20 5o 0 уменьшает их яркость
примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокра-
щается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы
хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокраща-
ется до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с уве-
личением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его мак-
симально допустимым паспортным значением не рекомендуется.
- 13 -
Спектральный состав излучения светодиодов определяется ма-
териалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.
Сравнительные спектральные характеристики для основных материа-
лов приведены на рис. 5, а в табл. 2 даны основные параметры не-
которых промышленных типов светодиодов.
В рассмотренных до сих пор светодиодах для получения раз-
личного цвета излучения необходимо было использовать различные
полупроводниковые материалы. Однако можно создать монолитные
структуры на основе светодиодов, которые в зависимости от их
включения или соотношения токов в них будут излучать в различных
спектральных областях (рис. 6). Проще всего такие структуры реа-
лизуются на фосфиде галия, который в зависимости от введённых в
него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для это-
го на кристалле фосфида галия создают два pn-перехода, один из
которых излучает красный, а другой зелёный свет. При смешивании
обоих обоих цветов получается жёлтый цвет.
Используя три вывода от структуры, можно отдельно управлять
обеими полупроводниковыми системами. Когда оба основных цвета
(красный и зелёный) излучаются одновременно, человеческий глаз
- 15 -
воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так
же путём изменения величины тока, текущего через элементы свето-
диода, удаётся изменять цвет излучения от жёлто-зелёного до
красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелё-
ное - находятся на краях цветовой шкалы. Когда требуется полу-
чить излучение определённого цветового восприятия, лежащее в
данной цветовой области, необходимо перед кристаллом GaP распо-
ложить соответствующие фильтры, слабо поглощающие красные и зе-
лёные лучи.
Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпози-
ционных (красный - жёлтый - зелёный - выключенное состояние)
сигнализаторов. Они находят применение в многоцветных буквенных
и цифровых индикаторах, а также в цветоаналоговых сигнализато-
рах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую
электронику, с их помощью можно контролировть степень зарядки
батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использо-
вать в качестве оптических индикаторов скорости.
4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.
Для миниатюрных устройств отображения информации широко ис-
пользуются светодиоды на основе арсенида-фосфида галия (GaAsP),
галия-алюминия-арсенида (GaAlAs), а также фосфида галия (GaP).
Все они высвечивают в видимой области спектра, характиризуются
большой яркостью, большим быстродействием и большим сроком
службы.
Для изготовления светодиодов, цифровых и цифро-буквенных
дисплеев из таких материалов используются технологические мето-
- 16 -
ды, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зави-
симости от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по
монолитной,так и по гибридной технологии. В первом случае это
интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупровод-
никовом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то мо-
нолитные индикаторы - индикаторы малых размеров. Во втором слу-
чае излучающая часть индикатора представляет собой сборку диск-
ретных светодиодов на миниатюрной печатной плате. Гибридный ва-
риант является основным для для средних и больших светодиодных
индикаторов.
Для светодиодных индикаторов разработаны и стандартизованы
схемы управления и согласования на серийных интегральных схемах,
что упрощает их схемотехнику и расширяет области применения.
Размеры рабочего кристалла светодиода малы (400 7& 0400 мкм).
Излучающий кристалл - это светящаяся точка. Для того же, чтобы
хорошо различать символы и цифры, их размеры не должны быть ме-
нее 3 мм. Для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла в
дисплее применяют линзы, рефлекторы, фоконы. Размеры знаков - от
3 до 1,5 мм и от 25 до 50 мм, что позволяет визуально контроли-
ровать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.
Индикаторы на светодиодах изготовляются двух типов: сег-
ментные (цифровые) и матричные (универсальные). Семисегментный
индикатор позволяет воспроизводить все десять цифр (и точку) и
некоторые буквы. Матричный индикатор содержит 7 7& 05 светодиодов
(светящихся точек) и позволяет воспроизводить все цифры, буквы и
знаки стандартного кода для обмена информацией.
Оба типа индикаторов могут выполняться как одноразрядными,
- 17 -
так и многоразрядными, что позволяет создавать на их основе сис-
темы отображения различной сложности.
.
- 18 -
Литература.
1. Нососв Ю.Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и
устройства. М. 1978.
2. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической авто-
матики. М. 1979.
Оглавление.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ. 1
1.1. Предмет оптоэлектроники. 1
1.2. Генерация света. 3
1.3. Источники излучения. 5
2. СВЕТОДИОДЫ. 8
2.1. Конструкция светодиодов. 11
2.2. Свойства светодиодов. 12
3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ. 14
4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ. 15