Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
E
E
0
X
0
X
Рис. 4.5. Энергетическая диаграмма резкого N-p-гетероперехода в состоянии термодинамического равновесия (а) и при прямом смещении (б)
Рассмотрим еще одно явление, названное Ж. И. Алферовым супер-инжекцией. При прямом смещении дно зоны проводимости в узкозонном слое может оказаться ниже, чем в широкозонном. Положение же квазиуровня Ферми для электронов по отношению ко дну зоны проводимости вблизи перехода в узкозонном слое окажется выше, чем в широкозонном (рис. 4.5). Это означает, что концентрация электронов здесь больше, чем в эмиттере. Данный эффект и получил название суперин-жекции. Суперинжекция способствует получению инверсии населенностей в инжекционных лазерах. Благодаря ей достигается динамическое вырождение носителей в активной области лазера при их инжекции из невырожденного (слаболегированного) эмиттера.
Толщину области, где происходит рекомбинация, можно ограничить, если на некотором расстоянии от инжектирующего перехода поместить изотипный гетеропереход и тем самым создать потенциальный барьер, препятствующий диффузионному растеканию носителей. Предотвращение утечки носителей из активной области с помощью потенциальных барьеров называется электронным ограничением. Для удержания носителей высота барьера AEc должна быть больше kT.
Если изотипный гетеропереход расположен вблизи обычного p-n-перехода, то мы имеем дело с односторонней гетероструктурой (ОГС). Двухстороняя гетероструктура (ДГС) получается при замене p-n-гомоперехода на N-p-гетеропереход (рис. 4.6). В ДГС узкозонный ак-
27
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
тивный слой с обеих сторон заключен между широкозонными эмиттерами. Разрыв в зоне проводимости на р-Р-гетеропереходе создает потенциальный барьер для электронов, а разрыв валентной зоны на N-p-гетеропереходе вместе с частью контактной разности потенциалов создает аналогичный барьер для дырок. Таким образом, в ДГС имеет место ограничение не только неосновных, но и основных носителей заряда.
а
Ec
б
Рис. 4.6 . Энергетическая диаграмма двусторонней N-p-Р-гетероструктуры в состоянии термодинамического равновесия (а) и при прямом смещении (б)
Так как показатель преломления узкозонного материала выше, чем широкозонного, часть лучей внутри активного слоя испытывает полное внутреннее отражение на гетерограницах. Это явление называют эффектом оптического ограничения. Кроме того, оба эмиттера ДГС прозрачны для излучения испускаемого в активном слое.
Первые источники излучения на основе инжекционной люминесценции (светодиоды) появились в 1960-х годах. Достоинствами светодиодов являются простота модуляции, высокое быстродействие, малые питающие напряжения, надежность, миниатюрность. По назначению различают светодиоды для оптических систем передачи информации, индикаторные светодиоды, светодиоды высокой мощности и др.
Длина волны излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и легирующими примесями. Разработаны светодиоды, излучающие в диапазоне от инфракрасной до фиолетовой областей спектра. Ватт-амперная характеристика светодиода близка к линейной в широком диапазоне уровней инжекции, за исключением областей очень малых и очень больших токов.
28
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лекция 5. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ В КОГЕРЕНТНОЙ
ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ
Суперлюминесцентные излучатели и оптические квантовые усилители. Если среда находится в состоянии инверсной населенности, то вещество усиливает собственное спонтанное излучение. Этот процесс мы назвали суперлюминесценцией. Полупроводниковые суперлюминесцентные диоды (СЛД) по своим свойствам занимают промежуточное положение между светодиодами и инжекционными лазерами. В отличие от лазеров эти источники работают в допороговом режиме, когда коэффициент усиления среды g больше коэффициента внутренних потерь аг,
но меньше коэффициента полных потерь аг + (12L) ln(l/R1R2).
Известно, что информационные операции над оптическими потоками удобнее производить при умеренной мощности излучения. Если необходимо получить мощный сигнал, прибегают к его усилению. Для этого используют оптические квантовые усилители (ОКУ), действие которых основано на использовании вынужденного излучения (рис. 5.1).
а
б
Рис. 5.1. Схемы оптических квантовых усилителей:
а - отражательного; б - двухкаскадного бегущей волны; 1 - призма Глана; 2 - ячейка Фарадея; 3 -частично отражающее зеркало; 4 - активное вещество; 5 - зеркало; 6 - поляризатор.
В системах передачи информации по оптическому волокну используются полупроводниковые квантовые усилители, схожие по структуре с инжекционными лазерами. Возникновение генерации в них предотвращается путем нанесения просветляющих покрытий на торцевые грани кристалла. Ширина полосы усилителя бегущей волны практически совпадает со спектральной полосой усиления его активного вещества.
Инжекционные лазеры. Резонатор в инжекционном лазере (ИЛ) формируется путем скалывания кристалла по плоскостям спайности перпендикулярно ^-«-переходу. Образующиеся зеркальные грани характеризуются френелевским коэффициентом отражения равным
