Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009), страница 16

Примесные атомы, аηвнутр =также дислокации и другие дефекты кристаллическойструктуры способствуют росту безызлучательной доли рекомбинации.Оценим значение внутренней квантовой эффективности. Предположим, что τ б = 100 нс . В непрямозонном полупроводнике, таком, как кремний, τ и ≈ 10 мс и1≈ 10 − 5 .(14.5)1+ τи / τбВ прямозонном полупроводнике, таком как арсенид галлия,τ и ≈ 100 нс , и внутренняя квантовая эффективность сущеηвнутр =ственно возрастает:ηвнутр =11+ τи / τб≈ 0,5 .(14.6)14.3. Внешняя квантовая эффективностьНе все фотоны, излученные в p-n - переходе, выходят из полупроводника вследствие поглощения и отражения от границыполупроводника.

Для характеристики доли излучения, покинувшей полупроводник, вводится внешняя квантовая эффективность.Внешняя квантовая эффективность - это отношение числафотонов N выш , вышедших из полупроводника в единицу времени, к общему числу N об электронно-дырочных пар, прошедших в единицу времени через p-n - переходNη внеш = выш .(14.6)N об125Основная часть излучения генерируется в пределах одной-двухдиффузионных длин от перехода и характеризуется отсутствиемнаправленности. Три основных эффекта приводят к тому, чтоηвнеш всегда меньше ηвнутр .

Во-первых, только та часть излучения, которая подходит к поверхности под углом меньше критического θ c , может выйти из полупроводника. Во-вторых,часть и этого излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух (френелевское отражение). В третьих, происходит поглощение между точкой генерации излучения и поверхностью полупроводника. Эти эффекты иллюстрируются нарис. 14.3.Рис.

14.3. Три эффекта, приводящие к оптическим потерям всветодиодах: ограничение допустимого угла падения θ c , френелевское отражение, поглощение.На рис. 14.3 светоизлучающая поверхность изображена ввиде слоя, излучающего во всех направлениях. Характеристикитакого двустороннего диффузного излучателя можно рассчитатьметодом, изложенным в [1] (см. п. 8.4). Если I 0 - мощность, излучаемая в единицу телесного угла по нормали к источнику,I 0 cos θ - мощность, излучаемая под углом θ, то мощность, излучаемая слоем с обеих сторон излучающей поверхности равна126π/2Ф0 = 2∫ (I 0 cos θ)(2π)(sin θ)dθ = 2 π I 0 .(14.7)0Мощность, излученная под углом, меньшим критического θ cθcФ=2∫ (I 0 cos θ)(2π)(sin θ)dθ = π I 0 sin θ c = π I 00n 02n2, (14.8)где n 0 - коэффициент преломления окружающей среды (воздуха), n - коэффициент преломления полупроводника.

Тогда долямощности, которая может выйти через поверхность полупроводник-воздух, равнаn 02Ф=.(14.9)Ф02n2В случае светоизлучающего диода на основе арсенида галлияпри излучении в воздух n 0 = 1 , n = 3,7 и f ′ = 0,036 .Даже те лучи, которые идут под углом, меньшим критического θ c , испытывают френелевское отражение от границыраздела полупроводник-воздух. Из излучения, падающего перпендикулярно к поверхности, только доля Т проходит в воздух(см. п. 3.2, п.

3.3)4 n0 n.(14.10)T=(n 0 + n ) 2При более наклонном падении лучей доля излучения, проходящего в воздух, уменьшается и становится равной нулю при критическом угле θ c . В случае границы раздела арсенид галлия воздух T = 0,67 иf ′ T = 0,024 .(14.11)Коэффициент пропускания Т может быть увеличен при"просветлении", когда на поверхность полупроводника наносятслой прозрачного материала толщиной в четверть длины волны.Причем коэффициент преломления этого слоя n сл долженудовлетворять условию: n 0 < n сл < n .f ′=127Значительно более серьезны потери f ′ , обусловленные критическим углом, которые накладывают ограничение на мощность, введенную в оптическое волокно. Практические примерысогласующих устройств светодиод - волокно приводятся ниже.Потери, обусловленные поглощением, трудно оценить количественно.

Внутри полупроводника излученный фотон можетвзаимодействовать с электроном валентной зоны и возбудитьего в зону проводимости. При этом фотон поглощается. Поэтому расстояние между областью генерации и излучающей поверхностью должно быть по возможности сокращено. При этомвозникает опасность, что поверхность с ее высокой концентрацией ловушечных уровней может оказаться в пределах однойдвух диффузионных длин от перехода, что вызовет изменениебезызлучательного времени жизни и уменьшение внутреннейквантовой эффективности. В результате приходится приниматькомпромиссное решение.ВыводыВведены понятия внутренней и внешней квантовой эффективности. Обсуждаются физические механизмы, приводящие куменьшению излучаемой в p-n - переходе мощности.

На основеформул Френеля, приведенных в лекции № 3, проведена количественная оценка внутренней и внешней квантовой эффективности.Вопросы и задачи14.1. Какие полупроводники называются прямозонными? Непрямозонными? Какие из них используются при изготовлении полупроводниковых светоизлучающих диодов?14.2. Что такое внутренняя квантовая эффективность?14.3.

Рассчитайте внутреннюю квантовую эффективность длянепрямозонного полупроводника, имеющего τ изл = 20 мс ,τ б = 100 нс .14.4. Как изменяется внутренняя квантовая эффективность приувеличении концентрации примесей в полупроводнике?14.5. Что такое внешняя квантовая эффективность? Каким образом можно ее увеличить?128ЛЕКЦИЯ 15Светоизлучающие диоды дляоптической связи15.1. Конструкция светоизлучающих диодовSi3 N4p - n переходСоединениес золотой проврлокойAlЭпитаксиальный слой n+ GaAsПодложка легированного n + GaAs125 мкмSi O2Диффузионныйр - слой50 мкмТипичная структура светоизлучающего диода показана нарис.

15.1. [1]. Она применяется в источниках видимого диапазона на основе GaAsP или GaP , легированных N или ZnO .Контакт Au Geа)Алюминиевыйверхний контактИзлучающаяповерхностьб)Рис. 15.1. Типичная конструкция светоизлучающего диода. а) поперечное сечение, б) - вид сверху. [1]Другой вариант конструкции диода с небольшой излучающей поверхностью и высокой яркостью показан на рис. 15.2. Этаконструкция, разработанная Баррасом, хорошо приспособлена129для систем оптической связи.

По сравнению с обычным светоизлучающим диодом излучающая поверхность отнесена ближе кподложке. При этом удается свести к минимуму расстояние между активным слоем и излучающей поверхностью. Изолирующий оксидный слой отделяет положительный контакт от полупроводника по всей площади, кроме светоизлучающей области.150 мкм50 мкмОтрицательныйконтактp - GaAsПодложкаиз n - GaAsАктивнаяобласть60 мкмSi O2Положительный контакт и поглотитель теплаРис. 15.2.

Поперечное сечение светоизлучающего диода Барраса[4].В конструкции Барраса близость активного слоя к полглотителю тепла означает, что тепловое сопротивление мало, и можноиспользовать высокие плотности тока без чрезмерного повышения температуры. Повышение температуры может привести ктрем эффектам: изменению распределения излучения по длинамволн, падению внутренней квантовой эффективности из-за возрастания скорости безызлучательной рекомбинации, уменьшению срока службы светодиода. Вообще в приборах на основеGaAs и GaAlAs температура перехода не должна превышать50 ÷ 100 o C .Оценим, какую оптическую мощность можно передать отсветодиода Барраса на основе GaAs в оптическое волокно черезплоский воздушный зазор.

Диаметр излучающей области предполагаем равным 50 мкм. Диаметр поверхности, через которую130выходит излучение, не намногим больше, так как активный слойблизок к поверхности и критический угол мал. Если воздушныйзазор мал, а диаметр волокна больше диаметра излучающей поверхности (рассматриваем ступенчатое многомодовое волокно),то можно считать, что почти все излучение поступает на входволокна. Светодиод является диффузным источником, и в п.

8.4было показано, что в волокно с числовой апертурой NA можноввести долю ( NA) 2 = (n12 − n 22 ) общей мощности от такого источника.По аналогии с определениями внутренней и внешней квантовой эффективности можно определить квантовую эффективность ηвол для системы источник - волокно как отношениечисла фотонов, попавших в волокно, к общему числу электронно-дырочных пар, прошедших в единицу времени через p-n переход. Тогдаη вол = η внеш ( NA) 2 = η внеш (n12 − n 22 ) .(15.1)Если пренебречь самопоглощением в полупроводнике, то(15.2)η вол = η внутр f ′ T (n12 − n 22 ) .Для волокна с NA = 0,17 и источника на основе арсенида галлияс f ′ T = 0,024 и с η внутр = 0,5 , получаемη вол = 0,00035 .Низкая эффективность системы светодиод - волокно можетбыть улучшена, если удастся уменьшить потери на френелевское отражение.

Один из способов осуществления этого показанна рис. 15.3, а). Диод соединен с волокном клеем, имеющим коэффициент преломления, близким по величине к коэффициентупреломления волокна. Кроме того, поверхность диода просветлена пленкой диэлектрического материала толщиной в четвертьдлины волны. Такая конструкция может дать существенное увеличение мощности излучения, вводимой в волокно.На рис.

15.3, б) и в) показаны линзовые устройства для ввода излучения в волокно. Они могут улучшить эффективностьсвязи только в том случае, когда диаметр волокна увеличен илиизлучающая поверхность светодиода уменьшена.131Рис. 15.3. Согласующие устройства светодиод - волокно. а) использование специального иммерсионного наполнителя с коэффициентом преломления, близкий к коэффициенту преломления волокна; б) - конец волокна заострен и закруглен в формелинзы, собирающей расходящееся излучение; в) - сферическаялинза, расположенная на поверхности светодиода [4].15.2. Использование гетероструктур в светодиодахВыше обсуждались p-n - переходы, образованные введениемнебольшого количества примесей в полупроводниковый материал.